毕业设计（论文）-10kV线路的无功补偿应用研究.doc

毕业设计说明书 中北大学10kV线路的无功补偿应用研究学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月 17日中北大学2015届毕业设计说明书中北大学10kV线路的无功补偿应用研究摘要 伴随着时代的发展，电力系统的发展也极其的迅速，电力系统中诸如变压器、发电机的电气设备明显增多，此时，这些电、电气设备产生的无功功率也在增大，而无功功率对电网的影响也在不断地凸现出来，因此在电力系统中急需要的便是无功功率补偿装置。选择补偿装置恰当，就可以把网络的损耗降到最低，电网的质量也就自然而然的提升了起来。但是如若选择或使用不当，则很可能使供电系统电压波动，谐波增大等。本文分析了功率的产生原因和产生的原理方面，还有其产生是如何影响到电力系统的，无功功率对电网有着很大的影响，同时，根据无功补偿技术的发展，比较传统无功补偿和现代的补偿装置，最终得出适合不同场合的补偿装置。除此之外，本文还分析比较了不同的无功补偿方式，最终确定不同供电网络所适合的补偿方式;通过对中北大学的输电线路的分析，选择合适的补偿方式，进行无功补偿及其分析评价。关键词：无功功率；无功补偿；无功补偿装置；无功补偿方式 Research on the application of reactive power compensation for 10kV line of North University of ChinaAbstractAlong with the development of the times, the development of power system is also extremely rapidly, the electrical equipment of the power system such as a transformer, generator increased significantly, at this time, these electrical and electrical equipment to produce reactive power also increases without influence of reactive power on the grid also in constantly emerged, so in power system in urgent need of is the reactive power compensation device. Select the appropriate compensation device, you can minimize the loss of the network, the quality of the grid will naturally enhance the. However, if the choice or improper use, it is likely to make the power supply system voltage fluctuations, the harmonic increases, etc.This paper analyzes the power of the reasons and principles, as well as its is how to affect power system, reactive power has a great influence on the grid. At the same time, according to the development of reactive power compensation technology. Compared with the traditional reactive power compensation and modern compensation device. Finally, it is concluded that compensation device suitable for different occasions. In addition, this thesis also analyzes and compares the different reactive power compensation, and ultimately determine the different supply network for compensation; through the analysis of the University of north of transmission line, choose the appropriate compensation, reactive power compensation and evaluation.Key words : Reactive power; reactive power compensation; reactive power compensation device; reactive power compensation way中北大学2015届毕业设计说明书目录1. 绪论11.1 概述11.3 无功补偿的研究现状及发展趋势21.3.1 无功补偿的早期发展21.3.2无功补偿的近期发展31.3.3 无功补偿的国内外现状41.3.4 无功补偿的发展趋势52. 无功功率及无功补偿72.1 无功补偿以及无功功率流动的弊端72.2 无功补偿的原理及意义82.2.1 无功补偿原理的简述82.2.2 无功补偿的意义82.2.3 无功补偿的技术要求93. 10KV线路无功补偿的方法和必要性123.1 无功补偿方式的分析123.1.1 根据无功补偿装置的补偿速度分析123.1.2 根据无功补偿装置的安装位置分析133.1.3 根据并联电容器的安装位置分析153.2 10KV线路无功补偿的必要性154. 10KV输电线路的最优补偿164.1 概述164.2 无功补偿容量的确定164.2.1 以功率因素作为指标计算无功补偿容量164.2.2 根据降低线损计算无功补偿容量164.2.2 以电压作为指标计算无功补偿容量174.2.3 以无功补偿经济当量作为指标计算无功补偿容量184.3 无功补偿位置的确定194.3.1 建立配电线路的数学模型204.3.2 补偿之后的电能损耗分析204.3.3 理想状态下的电压损失校验214.3.4 确定线路的补偿方案215 中北大学10KV线路的无功补偿实例研究225.1 1OkV配电网的结构及其参数225.2 1OkV配电网存在的问题225.3 方案设计与效果分析235.3.1 方案设计235.3.2 无功补偿及理论分析235.3.3 补偿效果分析25参考文献28致谢30第II页 共II页中北大学2015届毕业设计说明书1. 绪论1.1 概述无功功率补偿，简称无功补偿，在电子的供电系统中提高电网的功率因素，降低变压器和输送电路的损耗，增加供电的效率，优化供电环境，作为供电系统中难以替代的位置，无功功率补偿装置的合理选择，对供电系统的影响巨大。 在配电网中，电源供给负载的电功率分为有功功率和无功功率，有功功率是指用电设备将电能转换为其他种类的能量用来确保正常运行所需的电功率，而所说的无功功率，并非是无用功率，其效果也很不小。很多接在电网中的用电设备就是利用电磁感应来实现能量转换和传递。如电动机、发电机、变压器等，这些都是通过磁场来实现机械能与电能的转变1。 电网中几乎没有任何设备是纯阻性的，因此功率因数都在0到1之间，但是大部分电子设施如变压器、电动机等在工作时，建立感应磁场所需要的无功功率为Q0，除了这部分会产生无功功率，供电线路线损与变压器自损也会增加部分无功功率，无功补偿就是根据电容提供Q0的无功来提高功率因数，用以降低电网传输的无功功率，即在电能计量表上降低了电能的耗损，从而达到节能、降损的目的。1.2 课题研究背景近些年来，科学技术的高速革新，人们的生活水平不停提高，与此同时各种电器产品也在广泛的使用，电气设备对电压的要求也在提高，电力系统对无功功率的需求不断增加，可是因为配电网结构以及运行变化的因素，我国的电网损耗仍然较发达国家偏高。电力系统对无功功率的需求在增加，但是如果全部由发电厂供应，又会因为加大电力传输电流导致电力系统中传输电气设备容量和尺寸的增大，从而增加投资成本，与此同时，无功功率的流动也会产生电压偏移，电网的输送能力降低等影响。 一种有效的方法，就是在电网中进行无功补偿，相当于在距离无功功率补偿的电气设备较近的位置，为其提供无功功率，这样就可以降低无功功率在电网中的流动，有效的降低无功功率流动给电力系统带来的影响。无功功率是建立交流电、磁场必要的功率，在交流电力系统的建造和工作过程中，无功功率是必须要考虑的因素2。 由上文可知，由无功功率产生而导致的诸多问题，如，不可避免增加成本，产生电力系统运行效率的降低；输电网络的扩展受到限制；远距离输电的稳定性和电压难以控制；工业日渐增长的需求以及广大居民用电设置的增加，现有的供电质量已经难以满足需求；换流器的交流测难以进行无功控制。因此，行进行无功功率的补偿研究与探讨是不可或缺的。 综上所述，不断更新的用电设施，非线性负荷、冲击负荷、波动负荷等的存在导致配电网的特性愈加繁杂，为了更好地配合用户的需求以及电网的应用，进行无功补偿的研究显得十分重要4。1.3无功补偿的研究现状及发展趋势1.3.1 无功补偿的早期发展 在电力系统里面最主要的就是应时刻保持着功率的平衡，然而无功功率也是这样。对于无功补偿装置，其主要的功能有:(1)升高电力用电系统体系的功率因素极其负载能力，减小设备的所需量，并且做到经费的减少。 (2)是网络的电压平缓稳定，保证使用电量及质量，输电线路较长时，合适的选择补偿方式确定补偿方案的位置，便能提高用电的质量并且满足广大用户的需求。(3)在使用电气化的铁道的时候，这种情况，通过相应合理的的无功补偿能够平衡负载及其稳定性，包括有功及无功负载3。同步相机是早期的无功功率补偿装置，它不仅能补偿固定的无功功率，而且动态跟踪无功功率和补偿的无功功率，现代控制技术的持续创新，步调相机控制的典型代表性能有很大提高，应用设备的灵活性也有所增加。却还是应该划分为古老的补偿方式。除此之外还有并联电容器补偿，也是种典型的无功补偿装置。在类似的环境补偿，并联电容补偿器是一个同步冷凝器更加实惠。所以，电容补偿装置已十分宽泛的应用，但补偿电容器只可以补偿确定的无功功率，并容易因谐波引起的并联谐振。此外，并联电抗器，也是补偿的重要手段，通常配备有超高电压线和接地线之间的电压水平，优化的轻负载或无负载条件下5。以上几种无功补偿设备的自动化水平比较低，难以判断电网运行的参数，手动切换操作变得非常必要，如果变化的高频网络，操作程序相当复杂，增加了工作量，工作人员很辛苦，就不能高效率的完成工作。优点和缺点可以总结如表1.3所示：表1.3 早期无功补偿装置补偿装置 优点 缺点电容器资格最老的，原理简单，安装运行维护也较为简便无法联系调节，只能单一补偿感性无功，负电效应严重同步调相器传统的补偿装置，能够发出不同的感性和容性无功功率操作繁杂，反应较慢，消耗严重，维护起来也较为繁杂，并且伴随着噪声和污染严重电抗器响应速度快损耗严重，噪声和污染也严重，并且不能分相调解1.3.2 无功补偿的近期发展 电力电子技术的高速革新，一些崭新的无功补偿装置不断涌现。在1977年，CE率先在晶闸管引入无功补偿设备，成功开发了静态无功补偿装置（SVC）。在接下来的一年中，由美国西屋电气公司仍然会无功补偿装置进入生产和电力系统的做法。静止无功补偿器的特征在于不同的静态开关电容器和电抗器，该电流可以作为开关的电力电子设备的交流接触开关可控硅，GTR，GTO的切换，以及这些设备的响应时间仅10秒，而不是电路断路器做传统的静态补偿器的静态开关，反映了约500倍的速度。无论在哪个操作模式，静止无功补偿器可以在一个频率切换动作，并且可用于单相调节器系统。基于控制速度快，且维护简单，成本低的优点，采用晶闸管作为SVC在电力系统中的应用范围切换开关越走越宽，占据了剩下的主导地位没有功补偿装置6。静止无功补偿器可以细化为可控硅开关电抗（TCR），晶闸管控制电容器（TSC），机械铸造电容器（MSC）。在电力工业，仍然没有无功功率补偿装置，可单独使用多于三种类型的，也可由两个或两个以上的组合物和混合设备使用，诸如晶闸管控制反应器和晶体闸管开关电容器的混合设备（ TCR + TSC）或晶闸管开关管反应器和电容器定影设备混合装置（TCR + FC）和晶闸管管开关反应器和机械开关电容器的混合设备（TCR + MSC）。虽然静止无功补偿装置有诸多优势，可是因为晶闸管关闭无法掌控，开关器件的较低的工作频次，导致了它较弱的电能质量补偿能力，动力性能很难增高。静止无功发生器（SVG）属于第三代静止无功补偿技术，或被称为STATCOM，其中心构思是功率半导体转换器的应用程序进行无功补偿7。早在1970年前后，科学家建议创造合理的补偿方案，可是只有1976年美国学者L.发表的补偿方式才得到了业界的认同，自换相桥式变流电路由日本实施方案，并于1980年开发出第一和强迫换相桥式电路SVG。从这以后，全球产生了非常多的的研讨和探究，SVG目前的研究领域可分为：内置SVG SVG控制模式研究，SVG结构设计以及许多方面，如SVG不对称控制。从理论上讲，依据不一样的储能元件，SVG装置区分为两种类型，分别是电压型桥式电路和电流型桥电路。直流侧电容电压型电路作为储能元件，通过串联电抗器电网，存储在并联电容器的通信交流电流模式电路直流侧电感连接到电网元件。不过在真实的制造之中，大部分SVG电压型电路的使用，没有任何功能的转换是通过高功率电源，高频电子开关在无功补偿设备改变的开始，必须在大电容或电感的需要，更重要的是SVG的调整速度比SVC有更宽的工作范围，更能改善电压闪变。多种多级电压PWM技术的措施，使SVG补偿电流谐波含量大大降低。此外，SVG在电抗器和电容器的使用比SVC的电抗器和电容器，这将减少设备的容量和成本要小得多了8。统一潮流控制器（UPFC）是新一代柔性交流输电设施，并且能够控制节点电压和线路的有功和无功功率的同步。第一技术的提是在出1992美国西屋科技中心。其根本思路是使同一的电力电子控制设备，只有根据控制规则，改变电压，阻抗和相位控制供电系统的基本参数，它能做到同时或不同时间，实现并联补偿的串联补偿，移相和许多不同的功能。与其他无功补偿装置相比，统一潮流控制器（UPFC）是具有更大更多的控制方式和控制范围9。1.3.3 无功补偿的国内外现状 现今，城市配电网公用变压器低压侧，因为公民家用电感性负载的增强形成，从而使功率因数低，造成线损电源电压的变压器公共低压侧损耗加大，且作为一个重要的指标是难以满足用户的需求。因此，在公共变压器进行无功功率补偿并且是在低电压侧已成为当前研究的另一个趋势。在国外，户外无功补偿是否安装已成为分配网络性能的主要指标之一。在日本，配电网络系统户外补偿电容器自动切换率已经高达86.4；在美国，许多城市道路旁的电线杆与并联电容器，以及设备的自动控制。在中国，无功补偿的方式主要是两种形式，变电站集中补偿和企业就地补偿。据统计，目前，国内典型的城市和农村配电网无功损耗如下：根据电压等级，0.4K级的损失占50，10kV的水平占30，35kV及以下占20。在农村，长距离提供电源是比较常见的，10kV线路损耗较大；在城市的网络，配电网络的主要损失在0.4kV的一侧，因此，做好10KV以下的电压等级的无功补偿具有十分重要的意义。最近几年，因为电子计算机的改革，无功补偿技术有了非常大的提高，无功补偿装置的发展进入了更高的进程。但是，仍旧保留部分问题，例如补偿，调整模式滞后，工作电压低，消费增长10。1.3.4 无功补偿的发展趋势 正如上面提到的SVC装置的无功补偿组件，应用和发展较为成熟，SVC的学术研究主要集中在控制策略，如模糊控制，人工神经网络和专家系统的智能控制方法引入SVC控制系统中，目的就是为了提高的SVC系统的性能。然而，SVG和统一潮流控制器，它是受到了技术和经济限制，它仍然还没有进入大规模应用示范阶段11。大多数的学者相信，愈加完善的技术和减少的成本将会增加SVG和统一潮流控制器的应用程序的前景。无功补偿技术在电力系统的未来革新方向可以归纳为以下几点：（1）高压系统的要求，该装置在低压系统的补偿效果更好，并已被广阔使用和接纳。但是，由于二极管和晶闸管在高电压系统的能力是有限的，因此它大大限制了无功功率补偿技术在高压系统中的使用。在现实生活中，高电压路径已做到了重要维护国家工业化和人们的生活。因此，设备的研究和开发成为当务之急就是使适用于高压系统的补偿装置尽快诞生。（2）智能开发电子计算机的改革，让广大人民渴望的将计算机技术引入到无功补偿的可能得以实现。这样一来，不仅能够极大地提高设备的性能参数和工作效率，而且还能够提高智能设备的工作能力，减少操作人员的操作难度和风险性。（3）一体化进程与多功能化进展，在同一时间，为无功功率补偿，人们希望应用到设备的技术是谐波的抑制技术和滤波等结合在一起的。这样的话，不仅能够极大地减少城市电网，农村电网和山区网络的成本和工作繁复性，从而提高了工作效率，节约资源和减少功率损耗和空间要求。2. 无功功率及无功补偿2.1 无功补偿以及无功功率流动的弊端 电磁感应原理工作在电力系统中十分广泛，诸如变压器、电动机等许多用电设备，依靠着建立交变磁场，从而进行进行能量的转换和传递。而所说的无功功率是为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率。而无功功率的流动也会对线路造成影响：(1)设备出力不足，线路和变压器允许的通过容量降低；并联电容器按电压平方关系减出力，使无功电源进一步减少；发电机出力降低，电压降低10%15%，有功和无功出力均减少10%15%12。(2)降低输变电设备的供电能力，根据式2.1，无功功率流动的增加将降低输变电设备的供电能力。 S= (2.1)(3)电压损失会增大，从供电线路得出来的电压损失公式2.2可以看出，无功功率使造成电压损失增大。 (2.2)式中，为供电线路额定电压。 (4)会造成电力系统损耗增加，发电厂厂用电增加；用电的线路、输配电的变压器有功损耗以及无功损耗增加，如线路电压平均每降低15%，线路受到的影响就是损耗会增加约32%。 (5)设备使用寿命缩短或设备损坏，由于电压低，用户电动机出力低。 (6)在电力系统中，无功功率会由于各种原因提高，电流变大和视在功率增高就会发生，从而发电机、变压器及其他电气设施体积和导线容量也就会相应的变高。与此同时，用电客户的启动及控制设施、测量仪表的体积与规制也就要加大。 (7)无功功率的增高，导致电网中的电流与电压的相位不一样，谐波分量也就会因此产生，从而导致供电网络电压的不平稳和谐波干扰量增加。 (8) 电力系统的稳定性降低，缺乏无功补偿容量，迫使发电机的无功功率输出的增加，被迫下降的受端系统侧的电压，当故障发生在传输线路的终端系统，由于没有足够的无功功率和电压可以进一步减少，如果电压低于额定电压的70时，它有几率会使得电压崩溃从而导致故障，造成停电。根据以上的信息，可以清晰地看出无功功率在供电系统中存在的不良影响，对电路电流和电网的的影响，所以一定要在电力系统中进行无功补偿，尽量把无功功率在电流里面的流动减到最低，来保证电力系统的高效节能。 2.2 无功补偿的原理及意义2.2.1 无功补偿原理的简述在电网中，电容设施诸如并联电容器和同步调相机可以提供局部无功功率消耗，而且可以降低无功功率的电感性负载，并且可以减少无功功率在电力系统中的流动。所以，它可以减少传输线中用于传送电流所造成的电能耗损，增高电网运行条件，这种方法被称为无功功率补偿。在一个纯电感电路中，电流超前于电压为90度，而在纯电容电路电流滞后电压为90度，在相同的电路，电感电流和电容器中的电流方向相向，如若在电路一百八十度的相差有比例的装置一个电容器或电容元件，电流互相抵消，从而减少了电流和电压矢量夹角，从而可以提高功率的做功的能力，这是无功功率补偿原理之间的角度。2.2.2 无功补偿的意义 在当今的电力系统中，电力网络既会消耗负荷的无功功率，又有许多用电及供电的部件也会去损耗13。而这些无功功率的来源都是电子网络，若是这部分所必须的无功功率由发电机产生并且经过长距离传输，明显是行不通的，常规来说也是不可能的；但是如果不能及时的得到这些所必需的无功补偿，那么整个电力系统的工作就会受到很大的影响，会影响输电配电的效率，不能达到一系列的要求等等。所以，无功功率补偿对电力系统有着十分重要的影响，具体如下： (1)使受电端电压达到稳定状态，电网的电压也不会有太大的浮动，达到相对平稳状态，从而提高供电质量以及效率；(2)功率因数的提高，尤其是供电系统和负载，设备容量的降低，功率损耗的减少；(3)系统的不稳定性能够得到改善，输电能力也由低到高的提升；(4)发电机有功输出一直以来都不高，无功补偿则可以明显的改善这个问题，是之有显著的提升；(5)线路电压损失是影响系统的供电能力一个可怕的因素，无功补偿完全可以把电压损失降低，有功传输能力会随之提高；(6)电网的功率损耗也可以得到降低，这样一来，变压器在工作时，其主要参数输出功率就会显著提高，这也是电力网络工作的最重要的目的；(7)传统的用电设备使用年限非常短的一个重要原因就是用电损耗非常大，导致用电设备的损害也非常严重，而无功补偿的作用之一，便是可以使其的寿命得到大大的延长，从而得到经济的节约；(8)三相电路之中，有功功率和无功功率会得到高水平的平衡；(9)使系统电压崩溃等故障发生的几率大大的减小，运行安全性提高.2.2.3 无功补偿的技术要求尽管无功电源相对来说很充足，但是避免不了的是调相和调压等方面的不总带来的不利因素，以及运行不当等，也会引起一系列的不利危害。譬如，一些设备的绝缘保护层就会受到不小的影响，情况不严重的时候可能会烧毁绝缘层，但是如果发生重的故障，就有可能烧毁设备；电流在期间可能会增大产生谐波，这样就会引起设备温度升高；照明装置自然而然的就会大大的折寿。无功管理的加强，强调无功电源及负荷的平衡和辅以有载调压等措施，一般在不增加设备的情况下，用户电压过高的问题也可以得到改善。增加电气单位应遵循的自然功率因数：注重大局进行规划，选择最适当的安排，补偿和平衡当场分类;集中补偿和分散补偿相整合;以低压补偿为主的高压补偿低压补偿相结合;调整电压和降低损失相配合。具体分析如下 (1)以局部为主的总体与局部平衡相结合根据电力系统网络的用电情况来看，每个级别的网路设施及输送线路都要损耗到无功功率的，低压的配电网所占比例尤为众多。想要尽可能地减少功率的传送消耗和增加配电设施的传输效率，无功补偿设施配置应该按照“分局补偿和就地平衡”的原则，合理地进行布局规划。(2)电力部门补偿与用户补偿相结合在我们所运用的配电网络中，由用户耗损的无功功率大概是是百分之五十左右，并且无功功率耗损的其余部分是在配电网络。如果想要降低配电网络中无功功率的传输，有必要将就地补偿变为可能，想要平衡，就必须由电力部门和用户进行同时补偿。 (3)分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主集中补偿，是变电站的电力主要在，并且是容量较大的电容器。分散补偿是指在配电网的无功功率分配，如配电线路，配电变压器和用户的电力设备：集中补偿，大部分补偿主变压器自身的无功消耗，和降低以上输电线路的无功功率，进而降低电力网络的无功功率消耗，可是不可以减少无动力损失的配电网络，由于用电部门必须通过电功功率，所以配电线路到输送机的负载侧，所以为了有效地减少线路损耗，需要做在何处产生的无功功率，它应该在何处进行补偿。因此，中，低压配电网应主要应用分散补偿。 (4) 降损与调压相结合，以降损为主在供配电系统中，一方面可以通过电压器的分接头调整，另一方面可以通过控制无功功率来调整。无功功率补偿虽然可以减少无功功率在电网中的流动，减少系统损耗，稳定节点电压，增强系统的稳定性，提高供电系统的供电性能，使供电系统的供电效率提高。但如果无功补偿不合理，如欠补偿或过补偿，都不能达到无功补偿的目的，因此，需要对无功补偿制定一个标准，使无功补偿起到积极作用14。根据规定，用电用户在当地用电高峰时期负荷的功率因数，参数规定而下：(1)工业用户(160kVA以上)等高压供电用户和高压供电带有负荷调压装置的电力用户(3200kVA以上)，其功率因数应至少达到0.90；(2)100Kva(kW)及以上的用户，以及大、中型电力用户，相对应的功率因数则至少为0.85；(3)而像农业的用户用电，其功率因数则为0.80。以上是无功补偿对功率因数的要求，同时，无功补偿对补偿电压也有一定的要求。35kV及以上用户供电电压正负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%；10(6)kV及以下三相供电电压允许偏差值，为系统标称电压的7%；0.4kV单相供电电压允许偏差值为系统标称电压的+7%-10%。无功功率的流动可以造成线路上的功率损耗，因此，无功补偿对线路损耗也有一定的要求。根据不同地区的具体情况，线损要求可能不同，一般要求线损率不超过7%15。我从接到任务书便开始了细心研究，在此期间， 作为我的任课老师及毕设导师的曹老师给与了我很大的帮助。 老师不仅督促我抓紧时间和细心的做毕业实际内容， 还帮助我解决了很多专业知识问题，是我获得了极大的帮助。在此过程中，我并不是一帆风顺的前行，而是帮随着不少的困难, 由于自己的专业知识不足，计算能力较差，所以不得不请教身边的同学及舍友, 在专业知识的学习和有效数据的计算里，是我深深地认识到了自己的不足, 让我明白了学无止境的道理，即使是即将面临着毕业，可是我们的知识仍然匮乏着。 将来毕业以后，也要不断的去巩固自己的专业知识，来提升自己的能力。我从接到任务书便开始了细心研究，在此期间， 作为我的任课老师及毕设导师的曹老师给与了我很大的帮助。 老师不仅督促我抓紧时间和细心的做毕业实际内容， 还帮助我解决了很多专业知识问题，是我获得了极大的帮助。在此过程中，我并不是一帆风顺的前行，而是帮随着不少的困难, 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