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一、零过渡过程动态无功补偿研究背景
目前，电力网中无功补偿技术可以采用并联电容器装置、静止无功补偿装置、同期调相机等设备，另外还可以采用同步电动机相运行和异步电动机同步化运行等无功补偿方式。我国电力电容器行业引进了先进国家的高压全膜电容器和低压自愈式电容器的制造技术，经过消化、吸收、国产化，已形成稳定的生产能力。目前国内装置的成套技术和机电一体化技术水平较低，还不能适应我国电网的实际情况，致使电网既缺无功但并联电容器又投不上，无功补偿装置浪费严重。在严重冲击负荷和谐波恶劣环境下，补偿装置能改善电压质量，长期、稳定运行；提高无功补偿效率，防止欠补偿和过补偿造成的无功功率大量缺额和向电网倒送。
二、零过渡过程动态无功补偿技术内容
研究采用零过渡过程检测和触发技术，以大功率电力电子器件以及二控三主电路结构作为执行机构，单片机系统为控制单元，通过检测系统电物理量和零过渡过程条件，自动跟踪和分析电力系统运行状态，根据电网的无功功率变化确定投切电容器组的组数，根据电磁能量守恒原理，选择在系统零过渡过程时刻投切电容器组，使动态电流和电压的非周期衰减分量接近零，从而实现零过渡过程动态无功补偿。既具有提高电压质量、避免投切冲击电网的技术效果，又具有高效降损节能，提高输变电设备出力的经济效益。
采用晶闸管为控制元件，以晶闸管控制电力电容器的投切功能，控制方面以32位微处理器为核心，采用国家发明专利：零过渡过程投切控制原理，保证了电容器的投入和切除时不产生过电压及过电流。具体方案如下所示：
（一）系统硬件原理
该系统控制方式采用二控三方式，投切方式采用编码投切，可根据容量的不同分为7级。
（二）系统采用户外型的安装方式
（三）技术指标
1.电容接线方式：▽型 、Y型 、Y/▽结合型；2.投切级数： 2 ～ 7级；3.取样方式：无功功率/无功电流；4.补偿方式：可控硅零压差投切电容无功自动跟踪补偿，采用零过渡过程投切控制专利新技术，无浪涌电流产生；5.保护功能：缺相、短路、过电压、欠压、过流、过热、避雷措施等；6.响应时间：0.02S；7.自动运行方式：停电退出，送电后自动恢复；8.工作电压允许偏移：–20% ～ +20%（出厂过电压整定值400V）；9.运行噪音：小于45dB；10.绝缘电阻：≥4MΩ；11.介电强度：主回路相间及相对地2.5千伏，历时1分钟；辅助回路对地2.0千伏，历时1分钟；12.防护等级：IP33；13.整机运行环境：海拔高度≤2000m；环境温度 -40℃～+55℃
（四）性能特点
GX-LDB2通过电压、电流采样、自动实现无功补偿；对有在线监控功能（TTU）的产品提供RS-232/RS-485通道接口或无线接口，可通过与控制网络相连，具有控制、保护、显示、遥测、通讯等功能。该装置实时跟踪低压电网运行的实际情况，自动选择最佳模式进行编码投切补偿，使电网功率因素保持为最佳状态。具有完美的越限报警和过压、欠压、缺相、谐波数据。可带有谐波分析，测量总的失真（THD）以及1-31次谐波电流，为用户提供谐波数据。可提供综合配电监测功能。补偿设备选用自愈式金属膜电容器，可采用三相共补，分相补偿或三相共补加分相补偿方式，具有补偿精度高，补偿效果好等优点。补偿装置柜体选用不锈钢材料，表面经喷涂处理能防蚀、防腐：内装自动温控系统，散热性能好，确保装置长期正常工作。GX-LDB2智能型低压元功补偿装置，具有技术先进、功能完善、实用性强、可靠性高，安装方便等优点。装置容量具有10kvar-90kvar等数种规格，可根据用户实际需求安装调整。
（五）系统测试
测试对象： GX-LDB2-90/0.4WK；测试条件： 设备照常运行；检测仪器： 日置（HIOKI）3196电能质量分析仪；变压器参数（铭牌）：315KVA。
1.—电压波动变化2.—电流波动变化：设备正常运行阶段3.—功率因数波动曲线
（六）测试结果
无功补偿装置正常运行时，系统功率因数保持在0.95以上。从测试数据来看，GX-LDB2系列无功补偿装置较好的实现了动态无功补偿，达到了节电效果。
（七）经济效益分析
改善电压质量、提高设备出力
电动机负荷的力矩正比于电压的平方。
典型数据：补偿前电压为：V=0.03V，V=0.97VN，补偿后的电压为V+V=VN（额定电压）。
即：M=V（2V+V）=0.03×（2×0.97+0.03）VN=0.0519VN2。
即：若无功补偿将电压提高3%，则设备的出力将增加5.19%。
改善功率因数，提高设备出力
改造后功率因数最大可以提高：0.95-0.75=0.20提高系统有功出力20%。
三、结束语
通过采用零过渡过程动态无功补偿，从根本上解决传统的无功补偿方法安全性、实时性差，使用寿命短，补偿效果不好，直接影响电网的安全、经济运行的问题。同时，实现技术标准创新：最大过电压从300%降至5%以下（正常工作电压范围）；最大过电流倍数从大于1000%降至10%以下（正常工作电流压范围） ；电容器组投切间隔从180秒降至0.02秒。
研究使功率因数可以达到0.98以上，大幅度减少线损及铜铁损，节约10-30%的电能；由于解决了过电流、过电压的问题，本设备寿命可以延长3-5倍，用电设备寿命也可以相应延长；可以增加变压器出力30%以上，可以减少无功电流对电缆有效截面积的占用，从而减少变压器增容及更换电缆的投资；可以有效提高电网的末端电压，提高用电设备的生产效率。
目前，电力网中无功补偿技术可以采用并联电容器装置、静止无功补偿装置、同期调相机等设备，另外还可以采用同步电动机相运行和异步电动机同步化运行等无功补偿方式。我国电力电容器行业引进了先进国家的高压全膜电容器和低压自愈式电容器的制造技术，经过消化、吸收、国产化，已形成稳定的生产能力。目前国内装置的成套技术和机电一体化技术水平较低，还不能适应我国电网的实际情况，致使电网既缺无功但并联电容器又投不上，无功补偿装置浪费严重。在严重冲击负荷和谐波恶劣环境下，补偿装置能改善电压质量，长期、稳定运行；提高无功补偿效率，防止欠补偿和过补偿造成的无功功率大量缺额和向电网倒送。
二、零过渡过程动态无功补偿技术内容
研究采用零过渡过程检测和触发技术，以大功率电力电子器件以及二控三主电路结构作为执行机构，单片机系统为控制单元，通过检测系统电物理量和零过渡过程条件，自动跟踪和分析电力系统运行状态，根据电网的无功功率变化确定投切电容器组的组数，根据电磁能量守恒原理，选择在系统零过渡过程时刻投切电容器组，使动态电流和电压的非周期衰减分量接近零，从而实现零过渡过程动态无功补偿。既具有提高电压质量、避免投切冲击电网的技术效果，又具有高效降损节能，提高输变电设备出力的经济效益。
采用晶闸管为控制元件，以晶闸管控制电力电容器的投切功能，控制方面以32位微处理器为核心，采用国家发明专利：零过渡过程投切控制原理，保证了电容器的投入和切除时不产生过电压及过电流。具体方案如下所示：
（一）系统硬件原理
该系统控制方式采用二控三方式，投切方式采用编码投切，可根据容量的不同分为7级。
（二）系统采用户外型的安装方式
（三）技术指标
1.电容接线方式：▽型 、Y型 、Y/▽结合型；2.投切级数： 2 ～ 7级；3.取样方式：无功功率/无功电流；4.补偿方式：可控硅零压差投切电容无功自动跟踪补偿，采用零过渡过程投切控制专利新技术，无浪涌电流产生；5.保护功能：缺相、短路、过电压、欠压、过流、过热、避雷措施等；6.响应时间：0.02S；7.自动运行方式：停电退出，送电后自动恢复；8.工作电压允许偏移：–20% ～ +20%（出厂过电压整定值400V）；9.运行噪音：小于45dB；10.绝缘电阻：≥4MΩ；11.介电强度：主回路相间及相对地2.5千伏，历时1分钟；辅助回路对地2.0千伏，历时1分钟；12.防护等级：IP33；13.整机运行环境：海拔高度≤2000m；环境温度 -40℃～+55℃
（四）性能特点
GX-LDB2通过电压、电流采样、自动实现无功补偿；对有在线监控功能（TTU）的产品提供RS-232/RS-485通道接口或无线接口，可通过与控制网络相连，具有控制、保护、显示、遥测、通讯等功能。该装置实时跟踪低压电网运行的实际情况，自动选择最佳模式进行编码投切补偿，使电网功率因素保持为最佳状态。具有完美的越限报警和过压、欠压、缺相、谐波数据。可带有谐波分析，测量总的失真（THD）以及1-31次谐波电流，为用户提供谐波数据。可提供综合配电监测功能。补偿设备选用自愈式金属膜电容器，可采用三相共补，分相补偿或三相共补加分相补偿方式，具有补偿精度高，补偿效果好等优点。补偿装置柜体选用不锈钢材料，表面经喷涂处理能防蚀、防腐：内装自动温控系统，散热性能好，确保装置长期正常工作。GX-LDB2智能型低压元功补偿装置，具有技术先进、功能完善、实用性强、可靠性高，安装方便等优点。装置容量具有10kvar-90kvar等数种规格，可根据用户实际需求安装调整。
（五）系统测试
测试对象： GX-LDB2-90/0.4WK；测试条件： 设备照常运行；检测仪器： 日置（HIOKI）3196电能质量分析仪；变压器参数（铭牌）：315KVA。
1.—电压波动变化2.—电流波动变化：设备正常运行阶段3.—功率因数波动曲线
（六）测试结果
无功补偿装置正常运行时，系统功率因数保持在0.95以上。从测试数据来看，GX-LDB2系列无功补偿装置较好的实现了动态无功补偿，达到了节电效果。
（七）经济效益分析
改善电压质量、提高设备出力
电动机负荷的力矩正比于电压的平方。
典型数据：补偿前电压为：V=0.03V，V=0.97VN，补偿后的电压为V+V=VN（额定电压）。
即：M=V（2V+V）=0.03×（2×0.97+0.03）VN=0.0519VN2。
即：若无功补偿将电压提高3%，则设备的出力将增加5.19%。
改善功率因数，提高设备出力
改造后功率因数最大可以提高：0.95-0.75=0.20提高系统有功出力20%。
三、结束语
通过采用零过渡过程动态无功补偿，从根本上解决传统的无功补偿方法安全性、实时性差，使用寿命短，补偿效果不好，直接影响电网的安全、经济运行的问题。同时，实现技术标准创新：最大过电压从300%降至5%以下（正常工作电压范围）；最大过电流倍数从大于1000%降至10%以下（正常工作电流压范围） ；电容器组投切间隔从180秒降至0.02秒。
研究使功率因数可以达到0.98以上，大幅度减少线损及铜铁损，节约10-30%的电能；由于解决了过电流、过电压的问题，本设备寿命可以延长3-5倍，用电设备寿命也可以相应延长；可以增加变压器出力30%以上，可以减少无功电流对电缆有效截面积的占用，从而减少变压器增容及更换电缆的投资；可以有效提高电网的末端电压，提高用电设备的生产效率。