大型閘站無功補償分析及計算

徐 丹，王肇優，繆 薇，冷若瑤，李冰雪

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

目前某區城市防洪泵閘和海塘堤防已基本建成?，F狀海塘堤防總長13.7 km，基本達到200年一遇高潮位加十二級風下限設防標準?，F狀控制工程 8座，分別為沿江的江鎮河泵閘、新薛家泓泵閘、老薛家泓泵閘等3座泵閘及與浦東新區水系控制的人民塘水閘、白龍港水閘、六灶港水閘、施鎮河水閘和江鎮河水閘[1]。江鎮河泵閘泵40 m3/s，閘10 m；老薛家泓泵閘泵37 m3/s，閘18 m；新薛家泓泵閘泵30 m3/s，閘24 m。

閘站二級排水系統主要用于控制圍場河水位，遇到臺風暴雨等惡劣天氣，此時異步電動機等大功率電氣設備需要開機，異步電動機需要消耗大量的無功功率排澇。如果無功功率得不到滿足，將會對電力系統的安全運行產生較壞的影響。首先，無功功率輸入的增大會引起勞而無功輸出的增加，導線和電力系統在電流增大，消耗加大，影響了電氣系統的正常工作；其次，電壓的增加還可能引起發電機、大型變壓器及其他供電裝置總體積的增大，進而干擾設備的正常運行和調節，這將使得設備的正常經濟運行水平大打折扣；最后無功功率儲備得不夠也會導致電壓下降。如果該設備是沖擊性的無功功率用戶，則會導致線路電壓頻繁波動，從而產生密集的且變化較大的無功功率沖擊電流，從而影響整體電網的電能質量。為解決上述問題，二級排水系統所屬3座閘站都采用無功補償裝置，從而減少上級設備的供電容量，確保電能質量?，F以江鎮河出海泵閘為例，10 kV高壓一次系統中，無功補償裝置采用的是就地并聯電容器補償，在400 V低壓系統中，無功補償裝置采用的是集中自動補償裝置。下文著重分析并聯電容器和靜止無功補償器的原理以及控制策略，總結無功補償裝置運行經驗，為泵閘（站）安全運行提供理論基礎和實踐經驗。

1 并聯電容器補償

1.1 并聯電容器定義

在供電系統中，尤其是高壓一次系統，都采用并聯電容器技術，也就是增加一個容性負載，使其得到容性無功功率信號，相當于同時提供感性無功功率信號，以滿足對電網中感性負載的感性無功功率控制需要，從而實現了無功補償的目的。

1.2 計算及選擇

2018年對江鎮河出海泵閘6臺高壓電容補償柜進行改造，根據異步電動機額定參數來計算補償額定容量，其中電動機額定功率為380 kW，功率因數為0.664。補償容量計算公式如下：

其中P為電動機額定功率，cosΦ1為電動機額定功率因數，cosΦ2為補償后電動機實際功率因數，按照設計要求，補償后電動機實際功率因數按0.95取。

根據上述計算結果，結合實際需求，最終選擇了型號為HVCR-10-300-A的無功補償裝置，本裝置帶有電抗器和避雷器，該裝置原理如圖1所示。

圖1 無功補償柜原理圖

該高壓無功補償裝置由隔離開關（接地開關）、真空接觸器（真空斷路器）、串聯電抗器、高壓并聯電容器、放電線圈、氧化鋅避雷器、電流互感器、熔斷器、母線、柜體等組成。主要分為柜式和圍欄式兩種。其中柜式裝置一般情況下安裝在設備廠房內，圍欄式裝置既可以安裝在室外露天環境也可以安裝在設備廠房內，本出海泵閘采用柜式裝置。從設備結構分析來看，有如下比較優異的特點：①裝置的高壓一次系統和低壓部分二次系統物理上相互隔離。這樣可以防止無功補償裝置在出現設備故障（如線路斷開或接觸不良）時，產生的電弧光和帶有金屬顆粒的氣流飛濺或侵入到低壓二次系統，造成低壓二次系統繼電保護裝置短路燒毀或電子器件的損壞，并且危及運行維護人員安全。②當低壓二次系統出現故障時，機組可以繼續運行，不停止高壓運行，而更換損害的元器件（例如熔絲、照明燈、儀器電壓電流等）或設備定期維修養護，從而做到盡量減少高壓停電的操作頻次，保證設備安全可靠地運行。

為確保高壓并聯電容器接線方式科學性和合理性，接線方式選擇要考慮電容器的容量、額定電壓、中性點是否接線。江鎮河出海泵閘放電電阻采用的是三角形接法，高壓電容器采用的是星形接法。相比三角形接法，采用星形接法如出現熔絲燒斷或者電容器故障，此時故障電流不會超過額定電流的3倍[2]，避免故障的擴大。

利用并聯電容器實現無功補償，投入安裝運營費用較低，安裝調試簡單，消耗資源較少，而且見效快。并聯電容器既可以集中安裝在高壓室，又可以分散安裝在用電設備旁。目前，在國內的電力系統中，并聯電容器來完成無功補償的裝置約占市場90%。但是并聯電容器所發出的無功功率與該電容器電壓的平方成正比，即當該電容器并聯電壓降低，所發出的無功功率降低，需要新增電力系統無功功率裝置。因此，從補償效應角度講，當系統電流發生變化后，該裝置的補償效果往往不理想。

2 靜止無功補償器

2.1 控制原理

靜止無功補償器是一種可調節無功功率大小，動態跟蹤調節無功功率需求的裝置。目前技術比較成熟，應用較廣的是靜止無功補償器，屬于第二代無功補償裝置。靜止無功補償器按照結構劃分為三大類，分別為：晶閘管控制電抗器+固定電容器、晶閘管投切電容器和晶閘管投切電抗器。其中江鎮河出海泵閘低壓系統采用了晶閘管投切電容器（TSC），實時補償無功功率，提高功率因數。TSC型補償器是將一臺電容器和兩臺反向晶閘管串聯入電氣回路，具體原理如圖2所示。晶閘管主要功能是開斷支路，控制無功產生及調節無功的大小。

圖2 TSC型補償器原理圖

2.2 控制策略

TSC的關鍵是什么時間投切電容器，電容器的最佳投入時間是該元器件兩端電壓為零，采用過零投切時，對電路影響最小，不產生沖擊電流。下面將從過零投切原理、主電路連接以及檢測點的選擇來分析TSC型補償器電路。

根據電容器特性（圖3），電源電壓為u，電容器端前電壓uc，晶閘管兩端產生電壓差值u差=uuc，當端前電壓uc和電源電壓u差值較大時晶閘管導通，會產生一個較大涌流電流ic，燒壞晶閘管。當外界輸入的電源電壓u和電容器的電壓uc相等時，二極管電壓為零，此時無功功率補償控制器控制晶閘管導通，涌流電流ic為零，電容器開始工作。

圖3 過零投切原理圖

如上所述，晶閘管電壓為零，此時控制回路采集裝置采集到的電壓為零，開始給指定設備發出脈沖，通過回路中的多諧振蕩器以及脈沖隔離放大裝置，給晶閘管門極發出指令，即門極承受正向電壓（與外界電源電壓同相）的二極管開始導通，一直導通，只有當投入命令消失，晶閘管會在電流過零時，因為晶閘管自身條件自動斷開，等到下次指令發出，才能夠重新導通，目前江鎮河出海泵閘就采用的此控制回路來控制無功補償裝置的投入和切出。

3 無功補償未來發展方向探討

（1）從技術和提高電能質量角度來看，一方面許多非線性力動負載出現了電壓閃變和諧波污染，電氣自動化裝置對電能質量要求越來越高，必須采取相應的技術措施來降低電力系統的諧波污染、電壓突變和電力質量問題，從而降低電力系統異常電流對客戶電能品質的危害[3]。而且，隨著工業正在逐漸走向市場化，競爭越來越強，電力公司為了立于不敗之地，必然會采用更加合理的方法來改善電能品質問題。而靜止無功補償方法就在克服這些困難的同時，又表現出了優勢。從經濟效益方面考慮，無功補償方法能夠降低電路中的有功流動，從而減少電路的功率消耗和提高電力品質。從技術層面上來看，無功補償技術將以電力電子逆變技術為重點發展方向，即將無功補償和諧波控制一起進行。此外傳統電子有源濾波器也正在不斷進行發展，但因為傳統電力有源濾波器技術在消除諧波的同時，不會產生諧振，所以通過將傳統電力有源濾波技術和ASVG裝置相結合，來消除在原有的ASVG裝置上串聯無源濾波器后而引起的諧振現象，將是當前無功補償技術發展中的一個目標。

（2）研發無功補償裝置測量儀器，從而及時精確測量系統無功信號，提高主動反應性能，及時投切相關控制開關，以應對工作場所突發情況。數字孿生控制模型與智能控制器將是未來發展的重要方向，來精確調整無功信號。

（3）上述大多數無功補償裝置主要應用于低壓系統。高壓系統中受晶閘管的耐壓能力影響，還無法研制新的電器元器件來控制無功補償裝置開關，從而達到實時動態補償無功功率。各大電力公司和生產廠家投入大量的資金和人才，研究高壓系統動態無功補償裝置的新器件，目前首要困難，就是研制出耐高壓的晶閘管和二極體的材質，且成本在可控范圍內。

（4）近期，華東電網在越來越多的新能源接入和跨區直流輸電的雙重背景下，尤其是特高壓系統的應用，SNSP將逐年提高，若新能源出力按40%新能源裝機容量計算，保守預測到2025年華東電網SNSP將達37.1%~57.0%[4]，同步慣量可能接近極限值（極限值有待研究），為了解決此類問題，應加大對同步調相機技術研究和儲備，作為未來解決問題的重要手段。

（5）從這么多年工作經驗來看，無功補償裝置應該朝著小型化、智能化方向發展，結合現代流行的數字孿生技術，通過數字BIM建模，三維仿真模型等角度來研究，可以實時的查閱無功補償裝置的各項參數，動態反映無功補償裝置運行狀態，為以后研究，提供詳細的基礎數據。

4 結語

綜上所述，閘站二級排水系統通過無功補償裝置的改進，提高了泵站機組的功率因數，減少了線路負載損耗，有效地減少泵閘排澇時運行成本，取得了較大的經濟效益；合理地利用了無功補償裝置，減少水泵運行時對電力系統的沖擊，有效地提升了電能質量，降低泵閘本身的電能消耗，確保了電力系統質量安全；通過對現有的無功補償裝置的研究，為科研工作者研究下一代無功補償裝置提供理論數據和發展方向。