探討分布式智能無功補償技術研究

    智能電網的建設帶動了新能源的發展，以光伏、風能、生物質能、沼氣等為代表的分布式能源大量入網，與此同時，分布式能源由于容量小、隨機性大、間歇性強而給電能質量帶來一定影響，并入電網后可能引起電網功率因數降低。因此，有必要研究分布式智能無功補償技術，為電力系統提供優質、高效、綠色的電能。

　　1 分布式電源接入對電網的影響

　　分布式電源（Distributed Generation）簡稱DG，功率在數千瓦到50MW之間，且不直接和輸電系統相連。分布式電源接入后，能夠起到系統調峰、豐富能源結構、提升供電可靠性的作用，但與此同時，由于自身具有間歇性、隨機性等特征，分布式電源的接入將給電網帶來沖擊，并具有一定的諧波污染，分支電流的存在還將對繼電保護的方向性造成影響。因此，有必要對分布式電源采取無功補償和諧波抑制措施。

　　2 分布式智能無功補償技術研究

　　2.1 分布式智能無功補償的控制策略

　　分布式電源接入的電網無功需求在實時變化，因此需要進行動態實時補償。分布式智能無功補償在分布式電源的入網側進行無功補償和濾波，采用智能型無功控制策略。分布式智能無功補償系統集數據采集、處理、運算、控制、通信、保護于一體，采集系統中的模擬量，跟蹤分布式電源系統的無功功率變化，并以無功功率為控制量，以目標功率因數為投切參考限值，按照模糊控制策略，通過智能控制器進行無功補償裝置的投切控制，并配備分布式電源的智能綜合保護。

　　2.2 分布式智能無功補償技術

　　2.2.1 無源型分布式智能無功補償

　　由多個智能型無功補償模塊組成，采用LC無源元件進行無功補償，LC元件產生感性無功和容性無功，對電網進行無功補償。系統根據采集到的無功功率情況進行分析，向各個模塊發出投切命令，采用合適的無功補償策略，多個無功補償模塊之間能夠聯網運行、協調工作，進行無功補償容量的擴充。

　　2.2.2 智能控制器

　　智能控制器是分布式智能無功補償技術的核心，它使用高速的DSP信號處理器來采樣，實現對分布式電源接入電網的電能質量實時監測，采樣后的模擬量經過快速傅里葉變換后進行運算，輸出相應的遙控和遙調信號，完成瞬時動態控制，智能控制器通過內嵌的數據采集模塊、通信模塊、控制模塊和監測模塊來完成相應的監測、控制和保護功能。

　　2.2.3 智能綜合保護

　　各無功補償裝置在電網中運行，必須配備相應的綜合保護。電容器的運行端電壓不能突變，在投入和切除的過程中，會產生一定的沖擊電流，此外，系統的過壓或欠壓、缺相、斷電等工況也可能導致電容器故障。因此，智能綜合保護配備過欠壓、缺相、過流、過載、不平衡等保護功能，一旦無功補償裝置出現故障，將實時報警或動作于跳閘，及時排除故障。

　　2.2.4 智能有源濾波器

　　分布式電源接入的電網除了進行無功補償外，還需要濾除自關斷電力電子產生的高次諧波，避免對電網造成諧波污染。智能有源濾波器適用于分布式電源，與無源濾波器相區別的是，智能有源濾波器能夠向交流電網注入一個與諧波電流大小相等、相位相反的補償電流，用以補償負載注入電網的諧波電流。智能有源濾波器由靜止功率變流器組成，具有較好的可控性和快速響應性。

　　2.3 對分布式智能無功補償裝置設計的探討

　　2.3.1 分布式智能無功補償裝置算法流程

　　裝置上電并使能看門狗后，通過高速DSP和16位A/D轉換器對采集到的電網信息（電壓、電流、頻率等）進行處理，采樣通道經過GPS同步，誤差在2ms以內。對采樣數據進行數字濾波后，使用快速傅里葉算法進行計算，再經過精度校正環節，得出三相無功功率、功率因數、頻率等值。計算結果能夠通過客戶端顯示，并上送服務器實現保護控制功能。

　　2.3.2 分布式智能無功補償裝置控制功能的實現

　　裝置采集模擬量并計算出實時無功功率后，進行如圖1所示的邏輯判斷：投入無功門限，當分布式電源接入的電網實時無功功率大于投入無功門限時，自動閉合斷路器并投入電容器，對系統進行無功補償。當電網實時無功功率過大，已經超過切除無功門限時，表明電網無功功率已經過剩，需要切除斷路器并斷開電容器。

　　2.3.3 分布式智能無功補償裝置的諧波越限優化

　　針對分布式電源接入后產生的高次諧波問題，應該進行適當的諧波越限優化，以防止因為諧波污染導致的電容器老化和擊穿。分布式智能無功補償裝置根據采集到的數據計算出實

　　時電流諧波畸變率（THD）并進行判斷，當THD的值超過警戒值時，制定運行時間與離線時間間隔，提升無功補償設備的壽命和抗諧波能力;當THD的值過大，超過切除定值時，應立即切除無功補償裝置，避免設備損壞。

　　2.3.4 分布式智能無功補償裝置的同步投切技術

　　電容器是分布式電源接入的電網內重要的無功補償設備，傳統的電容器投切方式控制精度較低，可能存在多個電容器之間不同步投入的情況，容易產生較大的涌流和過電壓，影響電能質量和電氣設備安全。同步投切技術就是研究電容器組的同步投切，抑制暫態沖擊。

　　由于電容器投切時產生的涌流大小與系統初始相角密切相關，可以通過控制電容器在電壓和電流波形的特定角度處分合閘來實現同步投切，這也是同步投切技術的難點所在。分布式智能無功補償裝置輸出DSP指令到驅動執行單元，并控制斷路器永磁機構的跳合閘線圈，觸發大功率IGBT的導通和閉合，控制補償電容器的投入或切除，通過電壓過零關斷和控制斷路器分斷時的燃弧時間，削弱電磁暫態沖擊。