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摘要：本文对实现电压无功综合控制的装置从补偿原理和控制原理两个方面进行了分类，分别介绍了各种类型装置的原理、特点及适用范围，有助于用户根据自己的实际需求进行分析、比较选择。
关键词：装置；补偿原理；控制原理
节能与环保是我国经济持续发展所面临的两大难题，是制约我国国民经济持续发展的重要因素。电力系统中，线损是构成输电过程中能量损失的主要部分。由理论分析可知，功率因数由cosΦ1提高到cosΦ2，线路发热损耗可降低[1-（cosΦ1/cosΦ2）2]×100%，节能效果显著。
根据不同的方法，目前广泛应用的无功补偿装置可以按照以下几个方面进行分类：
一、按照实现补偿容量的原理不同划分
（一）通过投切并联电容器，实现无功电源容量的变化的装置。
这种电容器的投切依靠于接触器的动作或者通过控制器对高压开关的控制实现。用于投切电容的接触器具有抑制电容的涌流作用；延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，对电容器造成损坏，同时防止电容不停的投切导致供电系统振荡。
并联电容器成套装置通常由主电容器、串联电抗器、放电线圈、熔断器、断路器、继电保护和控制屏等部分组成。为避免电容器击穿造成相间短路而引发箱壳爆炸的恶性事故发生，高压并联电容器装置通常采用星形接线，选用单相、额定电压为线电压的1/ 的电容器作为主电容。低压并联电容器在电容器内连接成三角形，带内部熔丝。
并联电容器装置中加入串联电抗器，防止输配电系统中因直接投入并联电容器组而引起谐波分量增大。此外，还可以有效地抑制电容器投入电网时产生的涌流，以及有助于防止和减轻开断电容器组时发生重燃。
另外，电容器组内部设置放电电阻，此电阻能在短时间内把电容器上的残留电压降得更低。
这种投切并联电容器的装置广泛应用于各种就地补偿无功，调整负荷侧电压的场合；往往根据负荷侧的特性选择相应的无功补偿控制器。实际应用中可根据网络电压、功率因数、无功功率或者系列参数进行自动投切电容器，也可按规定的时间表进行自动投切或手动投切。
（二）通过调节电容器两端的电压，实现无功电源容量的变化。
这种装置根据电容器无功功率输出与电容量、频率、电压参量的关系，即Q=2πfc ，无功功率的调节可以通过改变电容器两端的电压来实现，从而达到对系统无功功率的调节、稳定电压、提高功率因数、降低线损的目的。作为控制核心的微机控制器是采用32位DSP处理器，大容量的RAM和Flash Memory，其数据处理，逻辑运算和信息存储能力强，运行速度快，可靠性高。按照九区图原理对系统电压无功进行适时控制，同时具有并联电容器保护功能，实现电压无功补偿与电容器保护一体化，保证并联电容器的可靠运行。
装置的优点：
（1）一组电容器固定接入即可实现多档输出，补偿精度高，可满足系统无功功率变化要求；
（2）采用有载自耦调压器调压方式，调节速度快，可以实现适时自动调节，提高补偿效果；
（3）调节电压极差小，大大减少了合闸涌流对系统及电容器的冲击；
（4）电容器在额定电压以下运行，无投切过电压和涌流问题，大大地延长了电容器的使用寿命；
（5）装置自动化程度高，且有完善的保护功能，数字通讯和远程维护功能，可以满足无人值班及免维护的需要；
（6）附加损耗小；
（7）电容器无需分组投切，减少了投切开关等设备及设备的占地面积，节约了基建投资成本；
（8）装置不产生谐波，不会对系统造成谐波污染；
（9）有滤波电抗器时，而且可以保证每个档位的电抗率恒定不变。
适用范围：
这种装置可广泛应用于电力系统，冶金、石油、化工和矿山等行业。装设于35～110kV变电站的6～35kV侧低压母线上或者直接装设于6～35kV配电线路上，实现自动调节容性无功功率，保证电压合格率且控制功率因数在0.95～0.98之间，可有效降低线路损耗。
（三）通过调节装置中电感的输出容量，实现无功电源容量的变化
这种装置的代表是可控电抗器动态无功补偿系统。它由由并联固定电容器组（兼滤波）和磁控电抗器组成，磁控电抗器容量无级可调，能自动快速跟踪补偿负荷无功、稳定母线电压。这种系统控制器一般采用16位微电脑芯片，能实时检测电网无功和电压参数，对磁控电抗器实施快速、准确控制。
系统工作原理：
无功自动跟踪补偿装置采用固定电容器配合磁控电抗器的方式，当系统无功过剩时，固定补偿电容器发出的容性无功由电抗器吸收；当缺乏无功时，电抗器容量减小，由补偿电容提供容性无功。磁控电抗器控制装置实时测量计算系统有功功率、无功功率、功率因数和母线电压，并调整电抗器的输出容量，使系统在保证母线电压合格的条件下，无功最小。
装置的特点
对电网而言：
1.提高功率因数，降低网损，可以使功率因数达到0.9-0.99的要求
2.阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高输电线传输能力
3.提高电网的电压稳定能力
对用户而言：
1.稳定端点电压（防止电压过高或过低），提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命。安装与不安装这种装置，对端点电压的波动幅度有很大的影响。
2.提高功率因数。可以使功率因数达到0.9-0.99的要求，降低网损，降低无功损耗，节省电费开支，适用于电力系统庞大网损非常严重的用户。
3.消除谐波污染，提高系统安全系数，延长设备寿命，降低系统损耗。
4.降低异步机启动、电弧炉运行等本地电网的冲击，提高系统安全性，对于弱电网尤其如此。 5.消除电压闪变，专门针对闪变设计的算法，将电压闪变降至最低水平，提高用户电能质量。
6.扩容。在很多场合安装动态无功补偿装置，可以实现1.2-1.5倍的扩容，大幅节约扩容开支。
二、按照控制回路的原理不同划分
（一）自带输入/输出系统的独立无功补偿装置
通常这种无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率型、无功电流型。选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。
1.功率因数型控制器
功率因数用cosΦ表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。当cosΦ=1时，线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。
当cosΦ超前且>0.98，滞后且>0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cosΦ不满足要求时，如cosΦ滞后且<0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cosΦ如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cosΦ<0.98，即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。
2. 无功功率（无功电流）型控制器
无功功率（无功电流）型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。一个设计良好的无功型控制器是智能化的，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测，这类控制器一般都具有以下功能：
四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、I、S、P、Q及频率。
（二）基于自动化系统后台机或自动化系统网络无功补偿装置
基于自动化系统后台机的无功补偿装置依附于变电站后台计算机，是后台监控系统的一个子模块。无功补偿装置借助于自动化系统进行数据采集与控制，其本身并没有专用的I/O系统。采用这种方式实现无功补偿装置功能省去了专用硬件设备，不需要单独铺设电缆，降低了成本，减少了工作量。人机界面友好，参数设置简单，调试方便。
基于自动化系统网络无功补偿装置的核心采用单独的CPU装置，但其I/O设备仍由网络借助自动化系统实现，其本身不带I/O系统。
采用后台软件实现无功补偿装置控制功能，虽然能节约成本，不需增加额外设备，工程量小。但它有一致命缺点：闭锁速度不够。无功补偿装置没有完善的闭锁系统或闭锁速度达不到运行要求，就会对变电站的安全运行带来严重威胁。特别是无功补偿装置对保护动作的闭锁响应。在保护信号发生时，若无功补偿装置不及时闭锁很可能带来严重后果。后台无功补偿装置软件的闭锁速度依赖于自动化系统对变位YX、YC突变量的响应速度，这样的响应速度一般很难满足要求，如果本次变位YX、YC量丢失，其闭锁速度更难满足要求。
总的来说，用户必须根据自己负荷的实际情况和可靠性、经济性等方面要求，对各种电压无功综合控制装置进行比较选择，找出最符合自己需要的设备。
参考文献：
[1]王建华：《电气工程师手册》，北京，机械工业出版社，2006年。
[2]夏道止：《电力系统分析》， 北京，中国电力出版社， 2004年。
[3]杨剑等：《一种新型的电压无功综合控制装置的研制》，载《继电器》，2004年第18期。
[4]周书同：《NVC电压无功自动调节装置技术研究》，载《山东纺织经 济》，2009年第3期。
[5] 刘志军等：《变电站电压无功控制装置设计及实现》，载《仪器仪表用户》，2009年第1期。
关键词：装置；补偿原理；控制原理
节能与环保是我国经济持续发展所面临的两大难题，是制约我国国民经济持续发展的重要因素。电力系统中，线损是构成输电过程中能量损失的主要部分。由理论分析可知，功率因数由cosΦ1提高到cosΦ2，线路发热损耗可降低[1-（cosΦ1/cosΦ2）2]×100%，节能效果显著。
根据不同的方法，目前广泛应用的无功补偿装置可以按照以下几个方面进行分类：
一、按照实现补偿容量的原理不同划分
（一）通过投切并联电容器，实现无功电源容量的变化的装置。
这种电容器的投切依靠于接触器的动作或者通过控制器对高压开关的控制实现。用于投切电容的接触器具有抑制电容的涌流作用；延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，对电容器造成损坏，同时防止电容不停的投切导致供电系统振荡。
并联电容器成套装置通常由主电容器、串联电抗器、放电线圈、熔断器、断路器、继电保护和控制屏等部分组成。为避免电容器击穿造成相间短路而引发箱壳爆炸的恶性事故发生，高压并联电容器装置通常采用星形接线，选用单相、额定电压为线电压的1/ 的电容器作为主电容。低压并联电容器在电容器内连接成三角形，带内部熔丝。
并联电容器装置中加入串联电抗器，防止输配电系统中因直接投入并联电容器组而引起谐波分量增大。此外，还可以有效地抑制电容器投入电网时产生的涌流，以及有助于防止和减轻开断电容器组时发生重燃。
另外，电容器组内部设置放电电阻，此电阻能在短时间内把电容器上的残留电压降得更低。
这种投切并联电容器的装置广泛应用于各种就地补偿无功，调整负荷侧电压的场合；往往根据负荷侧的特性选择相应的无功补偿控制器。实际应用中可根据网络电压、功率因数、无功功率或者系列参数进行自动投切电容器，也可按规定的时间表进行自动投切或手动投切。
（二）通过调节电容器两端的电压，实现无功电源容量的变化。
这种装置根据电容器无功功率输出与电容量、频率、电压参量的关系，即Q=2πfc ，无功功率的调节可以通过改变电容器两端的电压来实现，从而达到对系统无功功率的调节、稳定电压、提高功率因数、降低线损的目的。作为控制核心的微机控制器是采用32位DSP处理器，大容量的RAM和Flash Memory，其数据处理，逻辑运算和信息存储能力强，运行速度快，可靠性高。按照九区图原理对系统电压无功进行适时控制，同时具有并联电容器保护功能，实现电压无功补偿与电容器保护一体化，保证并联电容器的可靠运行。
装置的优点：
（1）一组电容器固定接入即可实现多档输出，补偿精度高，可满足系统无功功率变化要求；
（2）采用有载自耦调压器调压方式，调节速度快，可以实现适时自动调节，提高补偿效果；
（3）调节电压极差小，大大减少了合闸涌流对系统及电容器的冲击；
（4）电容器在额定电压以下运行，无投切过电压和涌流问题，大大地延长了电容器的使用寿命；
（5）装置自动化程度高，且有完善的保护功能，数字通讯和远程维护功能，可以满足无人值班及免维护的需要；
（6）附加损耗小；
（7）电容器无需分组投切，减少了投切开关等设备及设备的占地面积，节约了基建投资成本；
（8）装置不产生谐波，不会对系统造成谐波污染；
（9）有滤波电抗器时，而且可以保证每个档位的电抗率恒定不变。
适用范围：
这种装置可广泛应用于电力系统，冶金、石油、化工和矿山等行业。装设于35～110kV变电站的6～35kV侧低压母线上或者直接装设于6～35kV配电线路上，实现自动调节容性无功功率，保证电压合格率且控制功率因数在0.95～0.98之间，可有效降低线路损耗。
（三）通过调节装置中电感的输出容量，实现无功电源容量的变化
这种装置的代表是可控电抗器动态无功补偿系统。它由由并联固定电容器组（兼滤波）和磁控电抗器组成，磁控电抗器容量无级可调，能自动快速跟踪补偿负荷无功、稳定母线电压。这种系统控制器一般采用16位微电脑芯片，能实时检测电网无功和电压参数，对磁控电抗器实施快速、准确控制。
系统工作原理：
无功自动跟踪补偿装置采用固定电容器配合磁控电抗器的方式，当系统无功过剩时，固定补偿电容器发出的容性无功由电抗器吸收；当缺乏无功时，电抗器容量减小，由补偿电容提供容性无功。磁控电抗器控制装置实时测量计算系统有功功率、无功功率、功率因数和母线电压，并调整电抗器的输出容量，使系统在保证母线电压合格的条件下，无功最小。
装置的特点
对电网而言：
1.提高功率因数，降低网损，可以使功率因数达到0.9-0.99的要求
2.阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高输电线传输能力
3.提高电网的电压稳定能力
对用户而言：
1.稳定端点电压（防止电压过高或过低），提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命。安装与不安装这种装置，对端点电压的波动幅度有很大的影响。
2.提高功率因数。可以使功率因数达到0.9-0.99的要求，降低网损，降低无功损耗，节省电费开支，适用于电力系统庞大网损非常严重的用户。
3.消除谐波污染，提高系统安全系数，延长设备寿命，降低系统损耗。
4.降低异步机启动、电弧炉运行等本地电网的冲击，提高系统安全性，对于弱电网尤其如此。 5.消除电压闪变，专门针对闪变设计的算法，将电压闪变降至最低水平，提高用户电能质量。
6.扩容。在很多场合安装动态无功补偿装置，可以实现1.2-1.5倍的扩容，大幅节约扩容开支。
二、按照控制回路的原理不同划分
（一）自带输入/输出系统的独立无功补偿装置
通常这种无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率型、无功电流型。选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。
1.功率因数型控制器
功率因数用cosΦ表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。当cosΦ=1时，线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。
当cosΦ超前且>0.98，滞后且>0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cosΦ不满足要求时，如cosΦ滞后且<0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cosΦ如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cosΦ<0.98，即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。
2. 无功功率（无功电流）型控制器
无功功率（无功电流）型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。一个设计良好的无功型控制器是智能化的，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测，这类控制器一般都具有以下功能：
四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、I、S、P、Q及频率。
（二）基于自动化系统后台机或自动化系统网络无功补偿装置
基于自动化系统后台机的无功补偿装置依附于变电站后台计算机，是后台监控系统的一个子模块。无功补偿装置借助于自动化系统进行数据采集与控制，其本身并没有专用的I/O系统。采用这种方式实现无功补偿装置功能省去了专用硬件设备，不需要单独铺设电缆，降低了成本，减少了工作量。人机界面友好，参数设置简单，调试方便。
基于自动化系统网络无功补偿装置的核心采用单独的CPU装置，但其I/O设备仍由网络借助自动化系统实现，其本身不带I/O系统。
采用后台软件实现无功补偿装置控制功能，虽然能节约成本，不需增加额外设备，工程量小。但它有一致命缺点：闭锁速度不够。无功补偿装置没有完善的闭锁系统或闭锁速度达不到运行要求，就会对变电站的安全运行带来严重威胁。特别是无功补偿装置对保护动作的闭锁响应。在保护信号发生时，若无功补偿装置不及时闭锁很可能带来严重后果。后台无功补偿装置软件的闭锁速度依赖于自动化系统对变位YX、YC突变量的响应速度，这样的响应速度一般很难满足要求，如果本次变位YX、YC量丢失，其闭锁速度更难满足要求。
总的来说，用户必须根据自己负荷的实际情况和可靠性、经济性等方面要求，对各种电压无功综合控制装置进行比较选择，找出最符合自己需要的设备。
参考文献：
[1]王建华：《电气工程师手册》，北京，机械工业出版社，2006年。
[2]夏道止：《电力系统分析》， 北京，中国电力出版社， 2004年。
[3]杨剑等：《一种新型的电压无功综合控制装置的研制》，载《继电器》，2004年第18期。
[4]周书同：《NVC电压无功自动调节装置技术研究》，载《山东纺织经 济》，2009年第3期。
[5] 刘志军等：《变电站电压无功控制装置设计及实现》，载《仪器仪表用户》，2009年第1期。