珠海金湾供电局 广东珠海 51900
摘要：目前配变台区无功补偿装置普遍采用接触器投切、手动投切电容器组等传统设备，设备运行时间长，故障率高，导致各低压公共配电变压器长期处于过补或欠补状态，造成台区功率因数偏低、电压合格率偏低，谐波干扰大，容易烧毁家用电器设备，影响居民电器的正常工作，居民反应较为强烈。
关键词：IGBT技术；无功补偿；装置；配电台区；节能降损
一、现状情况
珠海某县城某台区由于原属于农业城市且以渔业为主，台区负荷主要以供氧电机为主且台区供电半径比较大，达到700-900米。造成了台区功率因数较低，且末端电压较低，功率因数不达标的现象。这种情况下，配变的无功出力较大，因为无功造成的线损较大，对电力部门的生产及效益造成了较大的影响。
二.问题分析及解决方案
无功补偿对水产台区线损的影响
1.提高功率因素的意义
1.1、提高供用电设备的有功出力
P=S.cosΦ
当设备表现为变压器容量（视在功率）一定时，若功率因数cosΦ值的提高（增大），式中的P值也随之增大，即达到了电气设备的有功出力的提高。
1.2、减少电气设备占用过多的视在功率
S=P/cosΦ
当负荷的有功功率不变时，由于功率因率cosΦ为分母，它的变大（提高）会使分数值变小，也就是所需的视在功率减少了。
1.3、减少负荷电流
P= UxIxcosΦ
Ix= P/(3UxcosΦ)
Ux---线电压的有效值,KV;
Ix---线电流的有效值,A。
当分线cosΦ的值提高，而其他参数不变时，负荷电流Ix将随之减少。
2、提高功率因素有效降低电能传输中的损耗
本台区为200KVA变压器，连接12个用户，供电长度700米，线路上的补偿装置已经损坏，导致线损率达到18.24%，功率因数降低到0.82，为提高功率因数及降低线损率我公司方案在线路的1/3和2/3加装两台基于IGBT原理的户外SVG设备，规格为两台WSPS-25M/0.4.
安装在靠近线路末端的补偿设备只能平衡设备后端的无功功率，容量过小，整条线路处在欠补状态，如果加大补偿容量，就会造成无功倒流反而增加该段线路的电流，造成不必要的损耗；
综上所述，安装地点以无功就地平衡为原则，一般对于均匀分布无功负荷的配电线路，其补偿容量和安装位置按［2n/（2n+1）］（其中n为不小于1的整数）的规则。正常情况下功率因数能达到0.95以上，低负荷时不会发生过补。
根据水产7#台区九月份有功无功的情况分析
1、水产7# 9月电量情况
有功：105896kW，
无功：72418kVar
功率因数：0.82
线损率：18.24%
指标值：7.96%
若功率因素能从0.82提长到0.95
△P（%）=[1-(0.82/0.95)2]×100%=25%
线损率能提升：
18.24%*（1-0.25）=13.68%
减少线损电量
21040KWH*0.25=5260KWH
5260*0.6461元/KWH=3398元
以上数据仅为理论分析所得。
三.国内外研究现状
1、国内外研究情况
为解决配电台区电压合格率低等电能质量问题，国内外普遍采用调节有载调压变压器的分接头或者根据系统中无功功率容量的多少来选择投、切电容器组，从而在一定程度上稳定系统电压，但是在实际应用中存在不少问题。
（1）调节有载调压变压器的分接头
通过调整变压器的电压分接头来调整电压是电力系统经常采用的措施，特别是有载调压变压器由于其能在带负荷的情况下调节电压以及电压调整范围较宽的优点而受到广泛的使用。有载调压变压器是电力系统中重要的电压调节设备，主要用于中枢变电站，在系统中可以自动改变分接头，调节其变化，以维持负荷区域内的电压水平。
双绕组电力降压变压器在高压绕组上，除主分接头外，还有几个附加分接头，供不同电压需要时使用。其中，针对无载调压器，改变分接头时需要停电操作，因此不适合频繁操作，往往只是做季节性调整。
（2）投切电容器组
为提高配电变压器经济运行效率，最大限度减少配电变压器无功损耗，在配电变压器低压侧安装并联补偿电容器。补偿容量根据具体情况确定，一般按照变压器容量的20%~30%配置，随负荷变化自动投切进行补偿。相对于线路无功补偿，配变低压侧补偿，可以减少无功电流经过配电变压器引起的损耗。
然而，以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置，不宜频繁进行电容器的投切。否则，投切时所产生的过电压和冲击电流将对电容器造成危害，使其绝缘老化，并最终导致电容器早期损坏。在谐波较大的线路中，大量谐波电流注入电容器组，也会造成电容器组的损坏。
（3）JP柜
配电台区无功补偿装置采用JP柜，手动投切来满足无功补偿需求，这就需要相关人员到达现场进行操作，导致设备利用率很低。
另外，无论是调节有载调压变压器的分接头还是分组投切电容器组和JP柜，均无法解决台区三相不平衡和谐波问题。
（4）基于IGBT技术的动态无功补偿装置优势如下表所示：
2、本次研究内容
（1）通过对项目实施前后功率因数和线损数据对比分析，验证相关设备实际效果，是否具有推广价值；
（2）通过项目实施过程，验证在现有设备上加装该类设备的可实施性和安装的方便性；
（3）在现有设备上加装实施方便性以及后续维护的便捷性，不允许在后续的维护过程中需要断电等处理措施；
（4）通过设备试运行期间运行维护工作，查找设备可能存在的问题。
四.研究内容
1、主要研究要点
（1）通过运行数据对比分析，验证该类设备的实际效果，是否具备推广价值；
（2）通过项目实施过程，验证在现有设备上加装该类设备的可实施性和安装的方便性；
（3）加装设备采用模块化，且模块化功能单元重量≤11kg，而且采用插拔式方式，方便后续的维护使用；
（4）通过设备试运行期间运行维护工作，查找设备可能存在的问题。
2、拟解决的主要技术难点
（1）考虑到现场空间尺寸可能受限，装置体积应尽量小：考虑模块化实现方式，根据现场实际需求容量，采用多个功能模块并联的方式实现，小体积功能模块化设计研究；
（2）同时为了降低现场施工的难度：即使采用模块化的方式实现，同时还需要重点考虑，功能模块的重量要小，根据人工单独操作的可能性，考虑每个功能模块的重量≤11kg，在采用模块化和小轻型化外，不能因为采用了多模块，而使得现场设备接线负载，考虑采用对外接线接口采用插拔方式，减少接线难度；
（3）设备可靠性：采用模块化的另外优点是提高设备的可靠性，即使有功能模块原因，故障停机，但其他功能模块依然可以正常运行，降低系统故障率，提高系统的可靠性；
（4）设备应满足在长期户外恶劣使用条件下运行稳定、效果理想；
（5）鉴于现有配变监测相关系统统计分析功能异常，运行数据需人工逐一分析，工作量较大，考虑接入设备采用无线通讯的方式，实时掌握现场设备运行状态和台区配变的相关电参量的获取。
五.技术路线、创新点与预期成果
1、技术路线
动态无功补偿装置并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。
1.1 智能型无功补偿装置工作原理
动态无功补偿装置通过传感器检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与系统中要补偿的量抵消，最终得到期望的电压、电流。
装置主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。通过检测负载系统中的电能状况来得出实际补偿需要的指令电流。IGBT驱动电路以及主电路合在一起可以作为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路发出的补偿指令，产生实际的补偿电流。
装置补偿无功时，即是监测系统中的无功类型和无功大小，然后发出和系统无功类型相反、大小相等的无功电流，来抵消系统无功；
装置治理谐波时，即是监测系统中谐波的次数和大小，然后发出和系统谐波大小相等、方向相反的电流，来抵消系统谐波；
装置做电压稳定时，即是监测系统中的电压值，当需要稳定电压时，装置通过调整输出的无功类型，达到支撑电压或拉低电压的目的。
1.2动态无功补偿装置
动态无功补偿装置并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。
如图1所示，假设A、B、C三相负载电流分别为：5A、10A、15A，这时候我们就认为此系统的三相电流出现了不平衡，三相电流完全平衡的状态应该是A、B、C三相电流全部为10A。如下图2的效果。
动态无功补偿装置在运行时，会通过外接电流互感器（CT）实时检测系统电流，然后将CT采集到的电流信息发给内部控制器进行处理，经过控制器分析之后， SVG就会发现系统的电流不平衡状态，同时计算出三相电流达到平衡状态所需转换的电流值。以图1为例，A相电流想达到平衡状态则需要增加5A的电流，B相电流正好为10A无需调整，C相电流想达到平衡状态则需要减少5A的电流。计算完成之后，控制器就会通过IGBT驱动电路来驱动IGBT动作，从而使得电流从系统C相流入动态无功补偿装置 5A，从动态无功补偿装置内部流出5A到系统A相。从而使得A、B、C三相电流全部重新分配为10A，而系统的三相总电流保持不变。当然，这一系列的计算及控制动作都是在很短的时间内完成的，并且，在这一过程中动态无功补偿装置只是起到一个重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量（如风扇运转、控制器件的能量消耗、开关器件的能量消耗）。
正如通常我们所说的电流值的大小是电流有效值一样，我们前文所述的动态无功补偿装置分流电流的大小也是在一定时间内的有效值。而实际上动态无功补偿装置补偿三相不平衡时开关器件的动作都是瞬时的。
在某一个瞬时，C相的IGBT动作，将C相的交流电整流为直流电之后储存在动态无功补偿装置内部的母线电容中，而在另一个瞬时，A相的IGBT动作，装动态无功补偿装置内部的母线电容（A、B、C公用同一组母线电容）上的直流电进行逆变，然后释放到系统A相上，如图3所示：
动态无功补偿装置的动作是瞬时的，而在某一段时间内其收发电流的有效值却是平衡的，因此可以将其动作的结果理解为分流作用，使得系统三相电流的有效值达到一个平衡状态。
当系统三相电流都偏离平衡点时，补偿原理与以上所述的两相偏离平衡点的状况类似。其根本原则就是将某相多出来的电流存储到动态无功补偿装置母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。
由于动态无功补偿装置治理三相不平衡面向的对象是电流且实时采集，使得无论负载分布如何、用电时间不一致，只要实时检测的三相电流因负载变化导致不平衡，动态无功补偿装置都能快速动作平衡电流。这就解决了三相不平衡传统解决方法中的客观局限性。而且相比“电感与电容组合调整”这类不平衡治理方式。
2、创新点
（1）在利用现有系统资源情况下，采用最新无功补偿与谐波治理技术，符合配网自动化的发展方向；
（2）首次通过应用试点进行相关接入技术、改造规范的整理，提供了实践依据；
（3）将配网线路各电能质量指标量化，提升了配网经济效益、细化了管理水平。
3、预期成果
技术指标：将功率因数提高到0.95以上。
经济指标：保护变压器、变压器不容易出现烧毁，降低线损,变损，供电成本。
七、结束语
文中浅谈IGBT技术的模块化动态无功补偿装置应用于配电台区节能降损的经济效益和社会效益，介绍了提高低压线路功率因数对线损的影响，该装置在两台水产养殖台区开展测试，试验效果显著，可扩大使用范围。
论文作者:郭巧新
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/9/29
标签：电流论文; 装置论文; 电压论文; 设备论文; 变压器论文; 动态论文; 功率因数论文; 《基层建设》2017年第15期论文;