無功功率補(bǔ)償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。
一、按投切方式分類:
1. 延時投切方式
延時投切方式即人們熟稱的靜態(tài)補(bǔ)償方式。這種投切依靠于傳統(tǒng)的接觸器的動作，當(dāng)然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導(dǎo)致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險的。當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)荷呈感性時，如電動機(jī)、電焊機(jī)等負(fù)載，這時電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個角度，當(dāng)負(fù)荷呈容性時，如過量的補(bǔ)償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關(guān)系。通過補(bǔ)償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。
下面就功率因數(shù)型舉例說明。當(dāng)這個物理量滿足要求時，如cosφ超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個范圍內(nèi)，此時控制器沒有控制信號發(fā)出，這時已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當(dāng)檢測到cosφ不滿足要求時，如cosφ滯后且<0.95，那么將一組電容器投入，并繼續(xù)監(jiān)測cosφ如還不滿足要求，控制器則延時一段時間（延時時間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當(dāng)檢測到超前信號如cosφ<0.98,即呈容性載荷時，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時就要先切除。如果把延時時間整定為300s，而這套補(bǔ)償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時間內(nèi)無功損失補(bǔ)只能是逐步到位。如果將延時時間整定的很短，或沒有設(shè)定延時時間，就可能會出現(xiàn)這樣的情況。當(dāng)控制器監(jiān)測到cosφ〈0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時電網(wǎng)可能已是容性負(fù)載即過補(bǔ)償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復(fù)始，形成震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。是否能形成振蕩與負(fù)載的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以說這個參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場情況整定，要在保證系統(tǒng)安全的情況下，再考慮補(bǔ)償效果。
2. 瞬時投切方式
瞬時投切方式即人們熟稱的動態(tài)補(bǔ)償方式，應(yīng)該說它是半導(dǎo)體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的技術(shù)結(jié)晶，實際就是一套快速隨動系統(tǒng)，控制器一般能在半個周波至1個周波內(nèi)完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導(dǎo)通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機(jī)械動作的接觸器類無法實現(xiàn)的。動態(tài)補(bǔ)償方式作為新一代的補(bǔ)償裝置有著廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在很多開關(guān)行業(yè)廠都試圖生產(chǎn)、制造這類裝置且有的生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯的裝置。當(dāng)然與國外同類產(chǎn)品相比從性能上、元器件的質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上還有一定的差距。
動態(tài)補(bǔ)償?shù)木€路方式
(1)lc串接法原理如圖1所示
這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調(diào)節(jié)電抗以達(dá)到補(bǔ)償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應(yīng)速度快，閉環(huán)使用時，可做到無差調(diào)節(jié)，使無功損耗降為零。從元件的選擇上來說，根據(jù)補(bǔ)償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點，應(yīng)該是非常理想的補(bǔ)償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動態(tài)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以體積也相對較大，價格也要高一些，再加一些技術(shù)的原因，這項技術(shù)到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。
(2)采用電力半導(dǎo)體器件作為電容器組的投切開關(guān)，較常采用的接線方式如圖2。圖中bk為半導(dǎo)體器件，c1為電容器組。這種接線方式采用2組開關(guān)，另一相直接接電網(wǎng)省去一組開關(guān)，有很多優(yōu)越性。
作為補(bǔ)償裝置所采用的半導(dǎo)體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟(jì)。其不足之處是元件本身不能快速關(guān)斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護(hù)措施要完善。當(dāng)解決了保護(hù)問題，作為電容器組投切開關(guān)應(yīng)該是較理想的器件。動態(tài)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數(shù)。很重要的一項就是要求控制器要有良好的動態(tài)響應(yīng)時間，準(zhǔn)確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。
當(dāng)控制器采集到需要補(bǔ)償?shù)男盘柊l(fā)出一個指令（投入一組或多組電容器的指令），此時由觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，相應(yīng)的電容器組也就并人線路運行。需要強(qiáng)調(diào)的是晶閘管導(dǎo)通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導(dǎo)體器件應(yīng)該是無涌流投切。當(dāng)控制指令撤消時，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關(guān)斷。關(guān)斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。
元器件可以選單項晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負(fù)載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。
3.混合投切方式
實際上就是靜態(tài)與動態(tài)補(bǔ)償?shù)幕旌希徊糠蛛娙萜鹘M使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導(dǎo)體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補(bǔ)，但就其控制技術(shù)，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡(luò)如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應(yīng)用范圍，節(jié)能效果更好。補(bǔ)償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補(bǔ)償效果更加細(xì)致，更為理想。還可采用分相補(bǔ)償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。
4. 在無功功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用方面，選擇那一種補(bǔ)償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補(bǔ)償?shù)木€路要有所了解，對于負(fù)荷較大且變化較快的工況，電焊機(jī)、電動機(jī)的線路采用動態(tài)補(bǔ)償，節(jié)能效果明顯。對于負(fù)荷相對平穩(wěn)的線路應(yīng)采用靜態(tài)補(bǔ)償方式，也可使用動態(tài)補(bǔ)償裝置。對于一些特殊的工作環(huán)境就要慎重選擇補(bǔ)償方式，尤其線路中含有瞬變高電壓、大電流沖擊的場合是不能采用動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機(jī)啟動也在幾秒鐘以上，而動態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是一個相對的穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)補(bǔ)償裝置能完成這個過程。如果線路中沒有出現(xiàn)這么一段相對的穩(wěn)態(tài)過程并能量又有較大的變化，我們把它稱為瞬變或閃變，采用動態(tài)補(bǔ)償就要出問題并可能引發(fā)事故。
二、無功功率補(bǔ)償控制器
無功功率補(bǔ)償控制器有三種采樣方式，功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。選擇那一種物理控制方式實際上就是對無功功率補(bǔ)償控制器的選擇?？刂破魇菬o功補(bǔ)償裝置的指揮系統(tǒng)，采樣、運算、發(fā)出投切信號，參數(shù)設(shè)定、測量、元件保護(hù)等功能均由補(bǔ)償控制器完成。十幾年來經(jīng)歷了由分立元件--集成線路--單片機(jī)--dsp芯片一個快速發(fā)展的過程，其功能也愈加完善。就國內(nèi)的總體狀況，由于市場的需求量很大，生產(chǎn)廠家也愈來愈多，其性能及內(nèi)在質(zhì)量差異很大，很多產(chǎn)品名不符實，在選用時需認(rèn)真對待。在選用時需要注意的另一個問題就是國內(nèi)生產(chǎn)的控制器其名稱均為xxx無功功率補(bǔ)償控制器，名稱里出現(xiàn)的無功功率的含義不是這臺控制器的采樣物理量。采樣物理量取決于產(chǎn)品的型號，而不是產(chǎn)品的名稱。
1.功率因數(shù)型控制器
功率因數(shù)用cosφ表示，它表示有功功率在線路中所占的比例。當(dāng)cosφ=1時，線路中沒有無功損耗。提高功率因數(shù)以減少無功損耗是這類控制器的最終目標(biāo)。這種控制方式也是很傳統(tǒng)的方式，采樣、控制也都較容易實現(xiàn)。
* 延時整定，投切的延時時間，應(yīng)在10s-120s范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 靈敏度整定，電流靈敏度，不大于0-2a 。
* 投入及切除門限整定，其功率因數(shù)應(yīng)能在0.85（滯后）-0.95（超前）范圍內(nèi)整定。
* 過壓保護(hù)設(shè)量
* 顯示設(shè)置、循環(huán)投切等功能
這種采樣方式在運行中既要保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又要兼顧補(bǔ)償效果，這是一對矛盾，只能在現(xiàn)場視具體情況將參數(shù)整定在較好的狀態(tài)下工作。即使調(diào)整的較好，也無法禰補(bǔ)這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負(fù)荷時。舉例說明：設(shè)定投入門限；cosφ=0.95（滯后）此時線路重載荷，即使此時的無功損耗已很大，再投電容器組也不會出現(xiàn)過補(bǔ)償，但cosφ只要不小于0.95，控制器就不會再有補(bǔ)償指令，也就不會有電容器組投入，所以這種控制方式建議不做為推薦的方式。
2. 無功功率（無功電流）型控制器
無功功率（無功電流）型的控制器較完善的解決了功率因數(shù)型的缺陷。一個設(shè)計良好的無功型控制器是智能化的，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能兼顧線路的穩(wěn)定性及檢測及補(bǔ)償效果，并能對補(bǔ)償裝置進(jìn)行完善的保護(hù)及檢測，這類控制器一般都具有以下功能：
* 四象限操作、自動、手動切換、自識別各路電容器組的功率、根據(jù)負(fù)載自動調(diào)節(jié)切換時間、諧波過壓報警及保護(hù)、線路諧振報警、過電壓保護(hù)、線路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosφ、u、i、s、p、q及頻率。
由以上功能就可以看出其控制功能的完備，由于是無功型的控制器，也就將補(bǔ)償裝置的效果發(fā)揮得淋漓盡致。如線路在重負(fù)荷時，那怕cosφ已達(dá)到0.99（滯后），只要再投一組電容器不發(fā)生過補(bǔ)，也還會再投入一組電容器，使補(bǔ)償效果達(dá)到最佳的狀態(tài)。采用dsp芯片的控制器，運算速度大幅度提高，使得富里葉變換得到實現(xiàn)。當(dāng)然，不是所有的無功型控制器都有這么完備的功能。國內(nèi)的產(chǎn)品相對于國外的產(chǎn)品還存在一定的差距。
3. 用于動態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂破?br>對于這種控制器要求就更高了，一般是與觸發(fā)脈沖形成電路一并考慮的，要求控制器抗干擾能力強(qiáng)，運算速度快，更重要的是有很好的完成動態(tài)補(bǔ)償功能。由于這類控制器也都基于無功型，所以它具備靜態(tài)無功型的特點。
目前，國內(nèi)用于動態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂破鳎c國外同類產(chǎn)品相比有較大的差距，一是在動態(tài)響應(yīng)時間上較慢，動態(tài)響應(yīng)時間重復(fù)性不好。二是補(bǔ)償功率不能一步到位，這些應(yīng)是生產(chǎn)廠家要重點解決的問題。另外，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)也尚未見到，這方面落后于發(fā)展。
三、濾波補(bǔ)償系統(tǒng)
由于現(xiàn)代半導(dǎo)體器件應(yīng)用愈來愈普遍，功率也更大，但它的負(fù)面影響就是產(chǎn)生很大的非正弦電流。使電網(wǎng)的諧波電壓升高，畸變率增大，電網(wǎng)供電質(zhì)量變壞。
如果供電線路上有較大的諧波電壓，尤其5次以上，這些諧波將被補(bǔ)償裝置放大。電容器組與線路串聯(lián)諧振，使線路上的電壓、電流畸變率增大，還有可能造成設(shè)備損壞，再這種情況下補(bǔ)償裝置是不可使用的。最好的解決方法就是在電容器組串接電抗器來組成諧波濾波器。濾波器的設(shè)計要使在工頻情況下呈容性，以對線路進(jìn)行無功補(bǔ)償，對于諧波則為感性負(fù)載，以吸收部分諧波電流，改善線路的畸變率。增加電抗器后，要考慮電容端電壓升高的問題。
濾波補(bǔ)償裝置即補(bǔ)償了無功損耗又改善了線路質(zhì)量，雖然成本提高較多，但對于諧波成分較大的線路還是應(yīng)盡量考慮采用，不能認(rèn)為裝置一時不出問題就認(rèn)為沒有問題存在。很多情況下，采用五次、七次、十一次或高通濾波器可以在補(bǔ)償無功功率的同時，對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行消除。