大型闸站无功补偿分析及计算

徐 丹，王肇优，缪 薇，冷若瑶，李冰雪

（江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）

目前某区城市防洪泵闸和海塘堤防已基本建成。现状海塘堤防总长13.7 km，基本达到200年一遇高潮位加十二级风下限设防标准。现状控制工程 8座，分别为沿江的江镇河泵闸、新薛家泓泵闸、老薛家泓泵闸等3座泵闸及与浦东新区水系控制的人民塘水闸、白龙港水闸、六灶港水闸、施镇河水闸和江镇河水闸[1]。江镇河泵闸泵40 m3/s，闸10 m；老薛家泓泵闸泵37 m3/s，闸18 m；新薛家泓泵闸泵30 m3/s，闸24 m。

闸站二级排水系统主要用于控制围场河水位，遇到台风暴雨等恶劣天气，此时异步电动机等大功率电气设备需要开机，异步电动机需要消耗大量的无功功率排涝。如果无功功率得不到满足，将会对电力系统的安全运行产生较坏的影响。首先，无功功率输入的增大会引起劳而无功输出的增加，导线和电力系统在电流增大，消耗加大，影响了电气系统的正常工作；其次，电压的增加还可能引起发电机、大型变压器及其他供电装置总体积的增大，进而干扰设备的正常运行和调节，这将使得设备的正常经济运行水平大打折扣；最后无功功率储备得不够也会导致电压下降。如果该设备是冲击性的无功功率用户，则会导致线路电压频繁波动，从而产生密集的且变化较大的无功功率冲击电流，从而影响整体电网的电能质量。为解决上述问题，二级排水系统所属3座闸站都采用无功补偿装置，从而减少上级设备的供电容量，确保电能质量。现以江镇河出海泵闸为例，10 kV高压一次系统中，无功补偿装置采用的是就地并联电容器补偿，在400 V低压系统中，无功补偿装置采用的是集中自动补偿装置。下文着重分析并联电容器和静止无功补偿器的原理以及控制策略，总结无功补偿装置运行经验，为泵闸（站）安全运行提供理论基础和实践经验。

1 并联电容器补偿

1.1 并联电容器定义

在供电系统中，尤其是高压一次系统，都采用并联电容器技术，也就是增加一个容性负载，使其得到容性无功功率信号，相当于同时提供感性无功功率信号，以满足对电网中感性负载的感性无功功率控制需要，从而实现了无功补偿的目的。

1.2 计算及选择

2018年对江镇河出海泵闸6台高压电容补偿柜进行改造，根据异步电动机额定参数来计算补偿额定容量，其中电动机额定功率为380 kW，功率因数为0.664。补偿容量计算公式如下：

其中P为电动机额定功率，cosΦ1为电动机额定功率因数，cosΦ2为补偿后电动机实际功率因数，按照设计要求，补偿后电动机实际功率因数按0.95取。

根据上述计算结果，结合实际需求，最终选择了型号为HVCR-10-300-A的无功补偿装置，本装置带有电抗器和避雷器，该装置原理如图1所示。

图1 无功补偿柜原理图

该高压无功补偿装置由隔离开关（接地开关）、真空接触器（真空断路器）、串联电抗器、高压并联电容器、放电线圈、氧化锌避雷器、电流互感器、熔断器、母线、柜体等组成。主要分为柜式和围栏式两种。其中柜式装置一般情况下安装在设备厂房内，围栏式装置既可以安装在室外露天环境也可以安装在设备厂房内，本出海泵闸采用柜式装置。从设备结构分析来看，有如下比较优异的特点：①装置的高压一次系统和低压部分二次系统物理上相互隔离。这样可以防止无功补偿装置在出现设备故障（如线路断开或接触不良）时，产生的电弧光和带有金属颗粒的气流飞溅或侵入到低压二次系统，造成低压二次系统继电保护装置短路烧毁或电子器件的损坏，并且危及运行维护人员安全。②当低压二次系统出现故障时，机组可以继续运行，不停止高压运行，而更换损害的元器件（例如熔丝、照明灯、仪器电压电流等）或设备定期维修养护，从而做到尽量减少高压停电的操作频次，保证设备安全可靠地运行。

为确保高压并联电容器接线方式科学性和合理性，接线方式选择要考虑电容器的容量、额定电压、中性点是否接线。江镇河出海泵闸放电电阻采用的是三角形接法，高压电容器采用的是星形接法。相比三角形接法，采用星形接法如出现熔丝烧断或者电容器故障，此时故障电流不会超过额定电流的3倍[2]，避免故障的扩大。

利用并联电容器实现无功补偿，投入安装运营费用较低，安装调试简单，消耗资源较少，而且见效快。并联电容器既可以集中安装在高压室，又可以分散安装在用电设备旁。目前，在国内的电力系统中，并联电容器来完成无功补偿的装置约占市场90%。但是并联电容器所发出的无功功率与该电容器电压的平方成正比，即当该电容器并联电压降低，所发出的无功功率降低，需要新增电力系统无功功率装置。因此，从补偿效应角度讲，当系统电流发生变化后，该装置的补偿效果往往不理想。

2 静止无功补偿器

2.1 控制原理

静止无功补偿器是一种可调节无功功率大小，动态跟踪调节无功功率需求的装置。目前技术比较成熟，应用较广的是静止无功补偿器，属于第二代无功补偿装置。静止无功补偿器按照结构划分为三大类，分别为：晶闸管控制电抗器+固定电容器、晶闸管投切电容器和晶闸管投切电抗器。其中江镇河出海泵闸低压系统采用了晶闸管投切电容器（TSC），实时补偿无功功率，提高功率因数。TSC型补偿器是将一台电容器和两台反向晶闸管串联入电气回路，具体原理如图2所示。晶闸管主要功能是开断支路，控制无功产生及调节无功的大小。

图2 TSC型补偿器原理图

2.2 控制策略

TSC的关键是什么时间投切电容器，电容器的最佳投入时间是该元器件两端电压为零，采用过零投切时，对电路影响最小，不产生冲击电流。下面将从过零投切原理、主电路连接以及检测点的选择来分析TSC型补偿器电路。

根据电容器特性（图3），电源电压为u，电容器端前电压uc，晶闸管两端产生电压差值u差=uuc，当端前电压uc和电源电压u差值较大时晶闸管导通，会产生一个较大涌流电流ic，烧坏晶闸管。当外界输入的电源电压u和电容器的电压uc相等时，二极管电压为零，此时无功功率补偿控制器控制晶闸管导通，涌流电流ic为零，电容器开始工作。

图3 过零投切原理图

如上所述，晶闸管电压为零，此时控制回路采集装置采集到的电压为零，开始给指定设备发出脉冲，通过回路中的多谐振荡器以及脉冲隔离放大装置，给晶闸管门极发出指令，即门极承受正向电压（与外界电源电压同相）的二极管开始导通，一直导通，只有当投入命令消失，晶闸管会在电流过零时，因为晶闸管自身条件自动断开，等到下次指令发出，才能够重新导通，目前江镇河出海泵闸就采用的此控制回路来控制无功补偿装置的投入和切出。

3 无功补偿未来发展方向探讨

（1）从技术和提高电能质量角度来看，一方面许多非线性力动负载出现了电压闪变和谐波污染，电气自动化装置对电能质量要求越来越高，必须采取相应的技术措施来降低电力系统的谐波污染、电压突变和电力质量问题，从而降低电力系统异常电流对客户电能品质的危害[3]。而且，随着工业正在逐渐走向市场化，竞争越来越强，电力公司为了立于不败之地，必然会采用更加合理的方法来改善电能品质问题。而静止无功补偿方法就在克服这些困难的同时，又表现出了优势。从经济效益方面考虑，无功补偿方法能够降低电路中的有功流动，从而减少电路的功率消耗和提高电力品质。从技术层面上来看，无功补偿技术将以电力电子逆变技术为重点发展方向，即将无功补偿和谐波控制一起进行。此外传统电子有源滤波器也正在不断进行发展，但因为传统电力有源滤波器技术在消除谐波的同时，不会产生谐振，所以通过将传统电力有源滤波技术和ASVG装置相结合，来消除在原有的ASVG装置上串联无源滤波器后而引起的谐振现象，将是当前无功补偿技术发展中的一个目标。

（2）研发无功补偿装置测量仪器，从而及时精确测量系统无功信号，提高主动反应性能，及时投切相关控制开关，以应对工作场所突发情况。数字孪生控制模型与智能控制器将是未来发展的重要方向，来精确调整无功信号。

（3）上述大多数无功补偿装置主要应用于低压系统。高压系统中受晶闸管的耐压能力影响，还无法研制新的电器元器件来控制无功补偿装置开关，从而达到实时动态补偿无功功率。各大电力公司和生产厂家投入大量的资金和人才，研究高压系统动态无功补偿装置的新器件，目前首要困难，就是研制出耐高压的晶闸管和二极体的材质，且成本在可控范围内。

（4）近期，华东电网在越来越多的新能源接入和跨区直流输电的双重背景下，尤其是特高压系统的应用，SNSP将逐年提高，若新能源出力按40%新能源装机容量计算，保守预测到2025年华东电网SNSP将达37.1%~57.0%[4]，同步惯量可能接近极限值（极限值有待研究），为了解决此类问题，应加大对同步调相机技术研究和储备，作为未来解决问题的重要手段。

（5）从这么多年工作经验来看，无功补偿装置应该朝着小型化、智能化方向发展，结合现代流行的数字孪生技术，通过数字BIM建模，三维仿真模型等角度来研究，可以实时的查阅无功补偿装置的各项参数，动态反映无功补偿装置运行状态，为以后研究，提供详细的基础数据。

4 结语

综上所述，闸站二级排水系统通过无功补偿装置的改进，提高了泵站机组的功率因数，减少了线路负载损耗，有效地减少泵闸排涝时运行成本，取得了较大的经济效益；合理地利用了无功补偿装置，减少水泵运行时对电力系统的冲击，有效地提升了电能质量，降低泵闸本身的电能消耗，确保了电力系统质量安全；通过对现有的无功补偿装置的研究，为科研工作者研究下一代无功补偿装置提供理论数据和发展方向。