400V 无功补偿技术路线分析

• 关键词：无功补偿,无源补偿技术解析,补偿元件
• 作者：章婷
• 摘要：本文介绍了无功补偿技术的发展现状，对SVG、无源补偿技术存在的问题进行了分析。

一、简介
   伴随着电力工业的发展和功率开关管的进步，无功补偿技术手段发生了显著变
化，形成当前的无源补偿（阻抗型补偿技术，TSC）和有源补偿（逆变电源型补偿
技术,SVG）两种技术路线。针对补偿对象不同，无源补偿包括投切电容型与控制电
抗型两种，分别用于补偿感性无功功率和容性无功功率。有源补偿是基于PWM 变
流技术，逆变电压的幅值和相位均可以控制，既可以补偿感性无功也可以补偿容性
无功。

二、SVG 存在的问题
   SVG 技术作为新技术，具有无级调节，可连续调节补偿容性或感性无功，响应
速度快等优点，同时也存在一些问题。
(1) 电压闪变较大的工业场合，SVG 能否可靠运行？
  SVG 控制环节一般采用电压电流双闭环控制模型；为了降低成本往往使用多个
变流器单元并联形式进行补偿，设备复杂度高，控制难度大，电压闪变过大时，可
能会导致控制模型崩溃，补偿设备烧毁或者保护，退出补偿。而TSC 补偿控制不依
赖于电压，电压闪变过大时仅仅会一定程度影响补偿效果。
(2) 单机容量过小

   大容量补偿需要占用更多的空间当前市场几大主流的SVG 设备，单机电流至多300~400A，即便全部输出基波容性无功，补偿容量也不过260kvar。超过这个容量，需要并柜，占用配电房更多空间。而TSC 可以单机做到600kvar 甚至更大。
(3) 成本高
  SVG 当前的制造成本约为300 元/kvar，市场售价一般至少在500~600 元/kvar。
300kvar 的补偿容量，市场价格在15 万元左右。同样容量的TSC 设备价格至多为5~6
万元左右。
(4) 客户是否需要既能够补偿感性又能够补偿容性无功？
   对于一般性的负荷，比如轧钢厂，塔吊，电焊机厂，负荷均为感性无功，并不
需要补偿容性无功，此时SVG 的容性补偿功能失去意义。对于客户来说属于资金浪
费，反而是TSC 补偿功能确定经济实惠。
(5) 现场是否均需要无级调节补偿无功？
   SVG 补偿输出无功连续可调是其显著优势，在不超过额定容量条件下可以将当
前的无功完全补偿。是否所有的现场均需要如此精细化的补偿呢？TSC 通过合理设
置补偿阶梯容量差异，同时使用三角形分相补偿技术，可以将补偿阶梯更加细化，
可以基本达到和SVG 一致的补偿效果

三、无源补偿技术解析
   在新技术不断涌现的同时，无源补偿技术仍然在向前发展。无源补偿技术演进
方向主要包括：

(1) 控制算法优化，检测速度快,控制器智能化程度更高；

(2) 投切开关可靠性更高，投切涌流更小，投切速度快，保护功能更为丰富；

(3) 优化生产工艺，逐步实现控制、投切开关、电容、电抗融为一体。

1、控制器
   控制器是补偿设备的大脑，需要实时检测计算负载无功，控制不同容量的电容
器组投入电网实现无功补偿。控制器直接影响补偿效果。

控制器的演进方向：
 当前市场的无功补偿控制器，均是通过输出开关量信号控制投切开关。基于开关量输出控制，投切器实际处于一种“失控”的工作模式，控制器无法获取投切器的状态。后续的检修维护难度增大。控制器采用通讯控制，双向实时传输状态数据与控制指令，可提高整机的智能化程度。

更快的的负载无功分离算法。
 三角形分相补偿技术，可以校正有功不平衡，同时对于不平衡无功补偿，可以减少星形接法电容器使用（星形支路成本更高），分相补偿可以实现，补偿阶梯更细，避免传统的三角形共补，星形分补带来的补偿阶梯大，星形支路多。
 优化人机界面，操作模式，使设备智能化程度更高。

2、投切开关
   投切开关是补偿设备的躯干，投切开关决定设备的可靠性。投入无涌流，投切速度快，投切可靠是基本要求。

投切开关的演进方向为：

(1) 更快的投切速度，跟踪快速波动的负荷，实现动态补偿；

(2) 分相独立控制，实现不平衡补偿；

(3) 与控制器双向传输数据，实现状态信息上传；

(4) 更小的投入涌流。下面介绍一下投切开关的演变。
2.1 交流接触器
   通过交流接触器控制电容器从电网中投入或者切换。交流接触器可能在任意时刻投入或者切除电容器。我们知道电容电压不能突变，投入或者切除瞬间，将会带来极大的冲击涌流，有可能烧毁接触器或者电容器；同时接触器响应速度较慢，无法跟踪快速变化的负荷，不仅不能很好的补偿无功，反而由于动态性能慢，带来新的无功开销。
2.3 复合开关=可控硅+机械开关并联组合
   投入过程，首先过零触发可控硅来投入电容器，然后接通机械开关维持电容器投入；切除过程，首先发出触发信号使可控硅导通，然后断开机械开关，最后撤销触发信号使可控硅电流过零关断，避免了机械开关断开时的电弧，提高了机械开关的寿命。
   从上面的描述来看，这个投入过程需要经历：触发可控硅->接通机械开关->断开可控硅；切除过程：触发可控硅->断开机械开关->断开可控硅。从这个流程上看，响应时间很慢，同时不适合频繁投切操作。

具体时间：
响应时间：≤150ms
每次接通和关断间隔：≥1 秒
连续两次接通间隔：≥120 秒

2.4 同步开关
   为了实现同步开关功能，控制机构必须对电源的周期及相位进行准确地检测。由于机械开关接点的动作较慢，通常由发出驱动信号到接点动作到位需要若干毫秒的延时时间，因此控制机构必须能够确定接点的动作延时时间，以便提前发出动作信号，从而保证接点在需要的时刻动作到位。通常的开关在接通与断开的过程中延时时间是不同的，因此控制机构在接通与切除的过程中要使用不同的提前量。由于机械接点的动作延时时间受环境以及电源等诸多因素影响，因此控制机构必须具有一定的适应能力，保证在各种环境条件下都能够实现同步操作。这也是同步开关的关键技术所在。同步开关的操作间隔仍然在30 s 以上，对于动态补偿效果仍然不够好。
2.5 双向可控硅型（TSC 技术基础）
   使用反并联晶闸管组成双向可控硅投切开关，具有的优点：投切速度快，动态补偿效果好；无触点，开关次数远大于机械开关。当前市场tsc 设备采用的可控硅两端电压为零时触发晶闸管投入，此时仍然存在很大的投入涌流，只有选择在电网电压峰值处投入电容器，投入涌流基本没有（电容器要预先充电。）先进双向可控硅控制技术应该包含以下几点：
（1）电容器预充电技术，保证电容残压维持在电网电压峰值，投入时刻在电压峰值投入，既能够实现零电压，也可以实现零电流，无任何涌流
(2) 切除时，电容器电压会高于电网电压峰值，为了保证投入快速型，可以控制可控硅在合适的时刻放电至电网电压峰值，通过这种方式使得电容残压维持电网电压峰值，可以使动态投入速度达到20ms。
(3) 可控硅存在一定的功率消耗，因此需要设计智能测温调速风冷散热热器，保证可控硅散热良好。
(4)完善的故障保护，投切开关状态数据上传控制器，智能化高。

3、优化生产工艺，逐步实现控制、投切开关、电容、电抗融为一体
   优化生产工艺，实现标准化生产一直是制造业的目标。标准化的生产，可以减少非标
生产带来的工时浪费，提高劳动效率。控制、投切开关、电容、电抗融为一体，当前有两种模式：控制+补偿支路（投切开关、电容、电抗）；智能电容器

3.1 控制+补偿支路
   投切开关与电容电抗融合为一体，按照标准化产品制造，可以极大的简化整机成套的复杂度。通过不同的补偿之路搭配而成就可以获得不同的补偿容量，整机成套只需要简单的连接一次线和二次线。
3.2 智能能电容器
   检测控制、投切开关，电容器封装在一个结构件中。