无功功率自动调节装置的作用及优势

工业生产的发展对电网提出能供给可变无功功率的要求。例如，在轧钢生产中，由于连轧机或可逆轧机采用晶闸管供电系统，它消耗大量的无功功率。对于电网来说，晶闸管供电系统相当于一个冲击性的无功负载，无功随时间而变。当晶闸管系统需要很大的无功功率时，如果由电网满足它的要求，则必然会由于过大的无功电流流过电网而造成电压大幅度下降，使电网电压不稳，因而不能保证轧钢质量。其他如电弧炉的供电系统也有类似的问题。

为了满足冲击性无功负载的要求，显然只用电容器（见图9.11）来补偿是不行的，图9.11所示的并联电容补偿线路中，电容量固定，因而它提供的滞后无功功率恒定不变。为了解决冲击性无功负载无功功率动态变化问题，必须在补偿装置中增加吸收无功功率的设备，如可控饱和电抗器，如图9.12所示。图中Qin为电网输入的无功功率，QL为负载的无功功率，QC为电容器提供的无功功率，QSR为饱和电抗器主回路的无功功率。

在图9.12中，在电网上除了并联补偿电容器以外，还并联了一套三相可控饱和电抗器，用直流激磁来控制交流绕组的电抗大小。为了和同步电动机无功补偿装置相区别，图9.12用饱和电抗器及电容器组成的补偿装置，称为静止无功补偿装置。

已知滞后的负载无功QL瞬间波动如图9.13所示，静止电容的无功功率QC超前，并为常数，而饱和电抗器交流绕组吸收感性无功功率QSR，QSR随直流激磁大小而变。设Qin是从电网输入的无功，各无功分量之间应满足下述关系

图9.11　并联电容补偿无功

图9.12　用饱和电抗器及电容器组成的静止无功补偿器

图9.13　无功补偿装置各无功分量间关系

则电网可以只提供最小量的无功功率Qin，使电网功率因数保持在一定水平（如0.9以上），从而当负载所需无功冲击变化时，能保持电网电压质量。从上式可以看出，当QL增大时，QSR应当减小，即饱和电抗器直流控制电流应减小（使工作绕组感抗增大，则Ig减小）。反之QL减小时，QSR应增大，即直流激磁应增大（使工作绕组感抗减小，Ig增大）。

为了使饱和电抗器吸收的无功功率QSR能快速地跟随负载QL的大幅度变化，需要一套快速的无功功率调节装置。

图9.14为静止无功补偿装置的系统原理图。图中补偿电容C，与滤波电感组成串联谐振滤波器，滤除3 次、5次、7次、11次、13次谐波电流。其中5次、7次谐波主要由饱和电抗器产生，11次、13次谐波主要由电网的非线性负载产生。饱和电抗器Ls的直流控制绕组由晶闸管供电，而晶闸管的导通则由一套无功调节器控制，于是形成自动闭环无功控制。图9.15为静止无功补偿装置闭环系统控制框图。

图9.14　静止无功补偿装置的系统原理图

图9.15所示静止无功补偿装置闭环系统，是一个双环控制（调节）系统，内环为电流调节环。饱和电抗器的输出电流经检测后，与无功调节器输出的给定电流相比较，经过PI电流调节器和晶闸管放大器，使饱和电抗器的输出电流保持为给定电流值。

外环为无功功率调节（控制）环，负载无功经过检测，与给定无功相比较，经过PI无功调节器，控制电流内环，使系统输出的无功与给定无功值相近。饱和电抗器的输出电流经过I/Q 变换输出无功功率。

图9.15　静止无功补偿装置闭环系统控制框图

系统中应用了一套三相全控桥式晶闸管电路，供电给饱和电抗器的直流绕组，用以控制直流电流。饱和电抗器并联在电网上，见图9.14。从电网上取出电压信号和无功电流信号，即通过无功测量元件测出电网无功功率大小，变换成一个直流电压，与给定无功值比较，其差值经过无功调节（放大）器放大，控制电流环中的晶闸管移相脉冲触发电路，改变了晶闸管的控制角α，从而保持电网无功功率不变。

根据上述，可以归纳电网负载无功功率冲击变化时，饱和电抗器各参量的变化情况见表9.2。

表9.2　电网负载无功功率变化时饱和电抗器各参量的变动

为了达到全补偿作用，应使饱和电抗器无功功率与负载无功功率相等，即饱和电抗器应按负载无功大小来计算。

因此，用于无功功率调节装置中的饱和电抗器和交流自动稳压装置中的饱和电抗器是有区别的，前者工作绕组直接和电网并联，后者则与负载电阻串联，接在电网上。前者按无功功率表示其额定容量，后者则按负载有功功率表示其额定容量。

由于电网电压变化一般在10%以内，因此在分析计算饱和电抗器时可近似认为电网电压不变，而工作绕组电阻与工作绕组感抗值相比又比较小，可以忽略。因此，无功功率调节装置中的饱和电抗器负载线近似为一条水平线，而交流稳压装置中的饱和电抗器负载线近似为椭圆的一部分，如图9.16所示。(www.xing528.com)

在静止无功补偿装置中，饱和电抗器工作绕组直接并联在电网上，因此三相饱和电抗器的电源电压为电网线电压（例如10k V），容量可达几十兆伏安。

图9.16　饱和电抗器的负载线

（a）用于交流稳压装置；（b）用于无功补偿装置

每相工作绕组承受电压Ug＝U，则

式中：Vc＝Sclc为一个铁心的体积。

当然，Hg选大了，由Hg＝NgIg/lc可知，磁路平均长度lc可以缩小，或Ng要加大。这样窗口能否绕得下全部绕组、散热条件能否保证就成为进一步要考虑的问题。