（电气工程专业论文）无功补偿技术及其在佛山配电网中的工程应用.pdf

摘要 摘要 电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经 济指标。长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有 效手段。随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。在电网中的 适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。提高电压质量、 降损节能是供电企业当前的工作重点之一。配电网合理的无功补偿，能够有效地 维持系统的电压水平，降低有功网损，提高网络输送容量。论文针对我国配电网无 功功率补偿的状况，以广东省佛山为例对无功功率补偿问题进行了一定的探索。 论文首先从无功功率带来的危害说明无功补偿的必要性，从节约能源的角度 说明无功补偿的重要性；然后论述了无功补偿的发展历史和发展现状，介绍了电 力系统主要的无功补偿装置和各自的特点，对配电网的无功控制规律进行了分析， 指出动态无功补偿是无功补偿技术的发展趋势并对其发展前景进行了展望。 而后论文概述了配网无功补偿技术的发展，介绍了几种无功补偿装置及其应 用情况。对比了配电系统4 种无功补偿方式，并分析了它们各自的优缺点。通过 低压无功补偿装置新产品、新技术的优缺点，以及其发展动态的分析探讨，对配 电网就地补偿设备的制作、选用提供了有益的参考。 论文最后介绍了佛山无功补偿的实际工程应用情况。从无功管理的角度，以 降低网损入手，针对佛山电网的现状，提出了改善佛山电网电压质量的无功补偿 方法，现场测试结果表明，此项工作是可行的、有效的，有利于进一步提高佛山 电网的经济效益和社会效益。 关键词：配电网；无功功率补偿；低电压；无功功率动态补偿；无功补偿装置 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g ei so n eo fi m p o r t a n tq u a l i t yi n d e xo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m p o w e rl o s s is a ni m p o r t a n ts y n t h e s i st e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xo fp o w e rc o m p a n i e s i nt h ep a s t s e v e r a l y e a r s ，t h ep r o b l e m o fp o w e rl o s si s v e r ys e r i o u s h o w e v e r ，r e a c t i v e c o m p e n s a t i o ni s a ne f f e c t i v em e t h o dt os a v ep o w e rl o s s d u et oi n c r e a s i n gl o a d so f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d e m a n do fr e a c t i v ep o w e rw a sa l s oi n c r e a s i n g i tb e c a m e n e c e s s a r ym e a n st h a tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sw e r ei n s t a l l e di np r o p e r p o s i t i o no fe l e c t r i cn e t w o r k c u r r e n t l y ，i m p r o v i n gv o l t a g eq u a l i t ya n ds a v i n gp o w e r l o s sh a v eb e e nj o be m p h a s i so fp o w e rc o m p a n i e s t h er e a s o n a b l er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o no fd i s t r i b u t i n gn e tc a ne f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h ev o l t a g el e v e l ，d e c r e a s e t h en e t w o r kl o s sa n dr a i s et h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a c c o r d i n gt ot h es t a t u so f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no fo u rc o u n t r yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n dt h ep a p e r p r e s e n t s s o m es t u d yo nt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n dt a k i n gf u s h a na s e x a m p l e ，t h ep r a c t i c a lr e s u l t sa r ea l s og i v e no u t a tf i r s tt h en e c e s s i t yo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na i m i n gd i r e c t l ya tt h eh a r mo f r e a c t i v e p o w e r i si l l u s t r a t e di nt h i s p a p e r a n d t h e i m p o r t a n c e o fr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nf o c u s i n go ne n e r g ys o u r c e si se m p h a s i z e d t h ep a p e ra l s os t a t e st h e h i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na c c o r d i n gt o t h ef a c t so f c h i n a r e a c t i v ep o w e r ，v o l t a g ec o n t r o li nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa r ei n t r o d u c e d t h er u l e so ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r e a n a l y z e d i t i s p o i n t e d o u tt h a t d y n a m i c r e a c t i v e c o m p e n s a t i o nist h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n i na d d i t i o n ，t h e p a p e rp r o s p e c t st h ed y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t h e nt h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g yo ft h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ki sr e v i e w e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fs o m e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa n dt h ea p p l i c a t i o na r ed e s c r i b e d f o u rk i n d so f c o m p e n s a t i o nm o d ew e r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ew e r e a n a l y z e da sw e l l t h r o u g hd i s c u s s i n gt h ef e a t u r e so fn e wp r o d u c ta n dn e wt e c h n o l o g y o fl o w - v o l t a g ev a r sc o m p e n s a t i o nd e v i c e ，a n di t sd e v e l o p m e n ta n a l y z i n g ，t h i s a r t i c l ep r o v i d e sau s e f u lr e f e r e n c et ot h ec h o o s i n ga n dp r o d u c i n go fc o m p e n s a t i o n d e v i c ea p p l y i n gt ot h ed i s t r i b u t i o np o w e rn e t 摘要 a tt h ee n do ft h ep a p e rap r a c t i c a lp r o j e c ti nf o s h a n ，g u a n g d o n gp r o v i n c ei s i n t r o d u c e d f r o mt h ev i e wp o i n to fr e a c t i v ep o w e rm a n a g e m e n ta n dn e t w o r k sl o s s e s r e d u c t i o n ，a r ea c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm e t h o di sp r o p o s e df o rf o s h a np o w e r n e t w o r kt oi m p r o v ev o l t a g ep r o f i l e s ，p r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d i sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e ，a n db e n e f i c i a lf o rb o t he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t so ft h e p o w e rn e t w o r k s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ； r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n v o l t a g e ； r e a c t i v ep o w e rd y n a m i c c o m p e n s a t i o n c o m p e n s a t o r i i i l o w v a r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：序锣亩 日期：弘蟛年弓月t 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位沦文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 韧认 秘、竿 日期：椰年弓月( 岁日 日期：q , vs 年年月2 一日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 电压是电能主要质量指标之一【l 4 】。电压质量对电网稳定及电力设备安全运 行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接 影响。随着国民经济的飞速发展，供电企业的用户对负荷需求、供电可靠性，以 及电压质量和客户服务水平等，都提出了更高的要求l5 。近年来经过大力进行的 城市电网改造，全国各主要城市的供电能力和电网结构都有了显著的提高和加强 7 - 9 1 。但是随着负荷水平的增艮，负荷的峰谷差也越来越大，使得系统的调压问题 变得越来越困难，此外在配网系统中故障概率较大【7 7 7 87 9 1 , 使得电压过高或过低 的问题时有出现。因此，如何合理地调整电压，提高电网的电压质量和安全运行 水平，是摆在我们面前的一项重要任务。 无功功率如同有功功率一样，是保证电力系统电能质量、电压质黾、降低网 损以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功功率必须平衡，否则就 会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外网络的功率因数 和电压的降低，使电气设备得不到充分利用，使得网络传输能力下降，损耗增加。 冈此电力系统的无功补偿，可以改善电压质最，降低线路损耗，使电网能安全、 稳定、经济地运行，对保证工农业安全生产、提高产品质量和改善人民生活都具 有重大的影响。电压质量差，既对用户造成危害，同时也影响电力企业本身。 从经济性的角度应力求使电力系统运行电压接近电力设备的额定电压，通过 合理分配无功来进行电压调度，从而降低线损，产生显著的经济效益和社会效益。 无功优化的目的就是使电力系统在保证电压质量的条件卜| ，无功补偿设备的布局 和配置容量最合理，无功运行的网损最小。电网在进行有功规划和建设的同时， 也要切实搞好无功的电力平衡和无功运行的优化补偿。冈此，无功功率补偿( 以下 简称无功补偿) 就成为保持电恻高质量运行的一种主要手段之，这也是当今电气 自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题，日正在受到越来越 多的关注1 0 “1 。 华南坪工大学工学硕士学位论文 1 2 无功功率补偿的意义 1 2 1 无功功率补偿的提出h ” 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要负担负荷的无功功率q 。所 谓无功功率是为了维持电源与用电设备的电感、电容之间磁场和电场振荡所需要 的能量。因此要维持电力系统正常运行，该能量则不可避免。 有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 之间存在下述关系，即：s = p 2 + q 2 。 d 而= c o s 妒被定义为电力网的功率因数，其物理意义足线路的视在功率s 供给有 o 功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，为了合理利用资源，充分发挥设 备的能力，我们希望功率因数越大约好。提高功率因数，不但可以充分发挥发、 供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以通过设备的工作 效率和节约电能。具体说来提高功率因数有如下意义： ( 一) 改善设备的利用率 因为功率因数还可以表示成如下形式： pp c o s = 一= = 一 1 s 4 3 u 1 其中：u 一一线电压( k v ) ；i 一线电流( a ) 。 可见，在一定的电压和电流下，提高c o s 妒，其输出的有功功率越大。因此， 改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。 ( ：) 提高功率因数可减少电压损失 屯力网的电压损失可由f 式求出： a u ：p r + q x u 可以看出，影响a u 的因素有四个：线路的有功功率p 、无功功率q 、电阻r 和电抗x 。如果采用容抗为x c 的电容来补偿，则电压损失为： u ：塑叟! 茎二茎e ! u 故采用补偿电容提高功率因数，电压损失a u 减小，改善了电压质量。 ( i ) 减少线路损失 当线i i ! 通过电流i 时，其有功损耗： 第一章绪论 a p = 3 i z r 或a p = 3 c 志舳= 等心等c 去， 可见，线路有功损失p 与c o s 2 f o 成反比，c o s ( o 越高，p 越小。 ( 四) 提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率关系如下： p = s c o s 可见，在传送一定有功功率p 的条件下，c o s 妒越高，所需视在功率越小。 1 2 2 电力系统发展对无功功率补偿的要求“”盯 我国电力工业向来重视有功负荷、有功电量，轻视无功负荷和无功电量。一方 面是由于长期缺电，满足有功需要都来不及，顾不上无功问题；二是由于认识上 的偏差，认为有功电量才是用能源换来的，而无功不是能源；三是认为无功数量 不大，或者说只有工业企业有无功，而居民生活用电没有无功问题。无功被忘却， 不知给电力部门造成多么大的损失，造成多么大的能源浪费，至今没有入确切地 计算过。最近的一些信息表明，无功问题已经开始受到重视。 无功补偿有着巨大的效益 无功补偿技术适用于电力系统及各行业用电单位。对于电力系统，通过采用无 功补偿技术可以降低线损，提高末端电压，保证供电质量；对于用电企业，较大 功率的用电设备，采用就地补偿装置可以取得同样的节能效果。电力部门在近年 来进行的城市电网和农村电网改造中也强调无功的就地补偿。 无功补偿具有推广前途，我国电力系统每年线路损耗6 0 4 万千瓦时，在1 9 9 8 年开始的城乡电网改造和建设中，要求降低线损1 0 ，如果通过无功补偿技术使 线损降低2 ，就可以节省电力1 2 亿千瓦时。而对于用电企业，据统讨+ ，全年电 动机耗电量为2 9 0 0 亿千瓦时，线路损耗按1 0 计算，则由此产生的线损约为2 9 0 亿千瓦时，如果全国有2 0 的电动机采用无功补偿技术，使电动机的平均功率因 数由0 8 5 提高到o 9 5 ，则每年可以降低网损1 1 6 亿千瓦时。总之，无功补偿节 能技术r j 以为企业带来良好的经济效益和社会效益，电力系统和用电企业若采用 此技术，将获得良好的收益。 研究实例说明，由于无功负荷大，功率因数偏低会造成大黾有功电能损耗，多 消耗无功就会相应地多消耗有功。无功负荷大，功率因数偏低，如果彳i 能就地补 偿，就使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，损失 极大，值得注意。 华南理工大学工学硕士学位论文 居民生活和楼字无功负荷急剧增长 过去无功负荷主要在工业企业，所以只对大型工业企业在实行两部制电价的同 时，实施功率因数奖惩办法，而对其他用户都没有功率因数考核。对工业企业的 功率因数奖励办法长期以来没有修改，缺乏研究分析。一些供电企业对无功电表 不重视，艮期不进行校验，有些用户在无功电表上做手脚，偷漏无功电，本来应 当被处罚的用户，反而获得电费奖励。工业用户对无功就地补偿缺乏积极性，致 使功率因数偏低，发电、输电和配电设施不能获得充分利用，线路损失增加。 居民生活和楼字用电，在五、六十年代仅仅是指照明用电，而且照明灯具基本 上都是白炽灯，功率因数接近1 。由于居民生活和楼宇的用电量很小，可以不考 虑功率因数奖惩。但自改革开放以来，在照明用电上推广荧光灯和节能灯，这些 灯具的功率因数仅0 6 ；特别严重的足家用电器迅速普及，绝大多数家用电器的 功率因数般在0 7 左右；只有电热水器属于电阻负荷，功率因数比较高。节能 灯虽然可以节约有功电力和电量，但节能灯消耗了大量无功电力和无功电量，在 推广节能灯时，只讲节约有功，不讲多消耗无功，不采取补偿措施是不妥当的。 由于居民生活和楼字用电中大量使用家用器，用电量的比藿急剧增长，仪居民生 活用电占总用电量的比重已经达到1 2 ，如果包括商、眦、宾馆、写字楼等楼字用 电，估计用电比重可达3 0 左右。这么大的用电量的功率因数严重偏低，对电力 部门的经济发供电的影响是很大的。我国目前农村居民的家用电器的普及率还不 高，随着农村电气化水平的提高，居民生活和楼宇的用电量还会有很大提高。世 界上工业发达国家居民生活用电的比重可达3 0 一4 0 ，加上楼宇用电可以超过 5 0 ，我国也必将朝着这个方向发展，我国应当重视居民生活和楼宇的无功用电 问题。 重视无功负荷问题提倡无功就地补偿 国家经贸委节能信息中心节能最佳实践的案例告诉我们，无功也是一种资源， 进行无功补偿可以达到节能，降低视在功率，提高电压合格率，获得巨大的经济 效益。我国电力工业正在由粗放的数量型向集约的质量型转变，重视无功负荷问 题。提倡无功就地补偿应当成为这个转变的重要内容之来考虑。 l 、要建立起无功也是资源，要像节约有功+ 样来节约无功的观念。要向用户 宣传节约无功的重要意义，自觉进行无功补偿；要提高供电企业职工对无功的认 识，要像节约有功一样来注意节约无功，要像重视有功电能表的校验一样来重视 无功计量装置的校验：= 作。电力部fj 要重新研究无功计价问题，是继续采用功率 因数奖惩办法，还是采取其他计价措施。 2 、要修订家用电器的节能标准。感性负荷的家用电器不仅要有节约有功的标 第一章绪论 准，也应当有节约无功的标准，或者对各类家用电器的功率因数作出规定，要求 家用电器制造商对各种家用电器的无功负荷进行补偿。 1 2 3 低压系统对无功功率补偿的要求”o 在现有的工业企业的供电系统中，大量的无功功率会经系统进入高低压供电 网络流进设备，不仅使系统增加无功功率发生装置，还因由了二高低压网络上流过 无功而引起有功损耗，也会由于无功电流流过线路而造成电压降低，影响供电质 量。或者由于功率因数较低而使收费标准提高增加了工业企业的运行费用，采用 无功补偿提高系统的功率因数，不仅可以节能减少线路压降还可以提高系统供电 裕量，对于补偿容量相当大的工厂，采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的 方式，相对比较合理，高压侧的无功补偿主要是补偿变压器的无功损耗，。对于用 电负荷分散及补偿容量较小的工厂，一般仅采用低压补偿比较合适。低压无功补 偿采取分散补偿的原则利于降低线损和获得显著的技术经济效益。低压配电柜的 集中补偿装置主要是补偿低压支干线上的无功损耗，低压设备的就地补偿是为了 降低有功损耗。无论采用何种补偿方式，低压无功补偿是必不可少的。 在低压配电电力网中，大多数电力负荷是感性负载，如感应电动机和中小容 量配电变压器，它们各占某些配电电力负荷的6 0 和2 0 以上。同时，由于其分 散，季节性强，配电线路供电半径大，分支线多及用电设备的配套和使用管理不 够合理，“大马拉小车”、轻载和空载运行情况比较严重，因此占用无功比例较大， 加之无功规划长期未能引起足够的重视，无功电源与无功占用不平衡。由于以上 原因造成低压配电网功率因数偏低和电压质量低劣，并引起功率损耗和电能损耗 增加。根据统计资料的分析，各级电网的电能损耗有6 5 左右是在l o k v 及以下 的配电网中，约有1 0 左右是在3 5 k v 级配电刚。 为了节约能源，提高电力系统的可靠性和供电质董，我国低压配电网功率因 数的补偿标准规定为：6 一l o k v 配电网为0 8 0 8 5 ，3 5 1 1 0 k v 变电站为0 8 5 0 9 0 。 而低压配电网大多数未能达到此标准。因此，对配电网无功负荷优化补偿应引起 足够的重视。 做好低压配电网无功负荷的优化补偿，可以提高负荷的功率因数，减少| i ) 4 络 中输送的无功功率( 即使用户负载所需要的无功功率达到就地平衡) ，达到降低线 损，改善电压质量及增加设备供电能力之目的。低压配电网无功补偿应贯彻“统 一规划，分级补偿，就地平衡”的原则，坚持降损与凋压相结合，以降损为主；集 中与分散相结合，以分散为主；电力部门补偿与用户补偿相结合；高压与低压补 偿柑结合，以低压为主：全区甲衡与分县、分站甲衡无功电力相结合的原则。以 媚取得最大的综合补偿效益。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 3 论文章节安排 本文以低压配电系统无功补偿问题为研究核心，对目前国内低压系统无功补 偿的历史发展、存在问题以及在广东省佛山的实际工程应用等展开讨论，在此基 础上抛砖引玉的提出了自己的一些浅见。 论文的章节安排如下： 第一章介绍了无功补偿的意义和系统特别是配电系统无功补偿的要求，从而 阐述了开展本课题研究的背景和现实意义。 第二章具体论述了无功补偿技术的相关问题。从无功功率和无功补偿的概念 入手，对比分析了常用的四种无功补偿设备的优缺点，介绍了无功补偿和电压控 制的基本策略，在此基础上总结了我国无功补偿技术的发展状况和存在的问题， 并从技术层面对用户电力系统无功补偿给出了几点建议。 第三章结合当前人们关注的电网无功补偿问题，重点分析比较了配电网常用 无功补偿方案特点，并通过对无功补偿应用技术的分析，提出了配电网无功补偿 工程应注意问题和相关建议。 第四章从实际应用出发，低压无功补偿装置的器件选型问题进行了比较和分 析。并对新型的电容器投切装置一一机电一体化复合开关进行了详细介绍，提出 了无功补偿装置中器件选择实用方法的一些浅见。 第五章对无功补偿装置在佛山市禅城区实际应用的情况进行介绍以及对实施 了动态补偿后的效果进行分析。 第六章对全文进行总结。 6 第二章无功补偿原理 第二章无功补偿原理 2 1 无功功率和无功补偿的基本概念n 们 在交流电路中任意一个两端无源网络如图2 1 所 示，有下式成立： p = u ic o s 妒，q = u ls i n p ( 2 一1 ) 式中 u ， p ， 功率： ，为“( f ) ，f ( r ) 的有效值，妒为u 、，的相角差 网络 反映了无源网络中等效电阻的耗能，它用于不可逆的消耗，定义为有功 q 反映了无源网络中电源与电感和电容之间的能量转换，定义为无功功率。 无功功率虽未被网络消耗，但反映r 网络内部与外部交换能量的能力的大小。 从以上的定义可以看出：无功功率比较抽象，它是用于电路内屯场与磁场的 交换，并用来在电气殴各中建立和维持磁场的电功率。在整个周期内平均功率为 零，也就是没有能量消耗。能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能量交 换率的最大值叫做无功功率。即电源能量与感性负载线圈中磁场能罱或容性负载 电容中的电场能量之间进行着可逆的能量转换而占有电网容量叫做无功。 凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率决 不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动， 从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压 器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出 电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触 器不会吸合。在f 常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要 从电源取得无功功率。无功电源同有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的组 成部分。在电力系统中应保持无功平衡，这是维持系统正常稳定运行的基本要求。 电| ) 【) 4 中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属j ：感性负荷，在运行过程 中需向这些设备提供相应的无功功率。从发电机和高压输电线供给的无功功率， 远远满足不了负荷的需要，所以在电网巾要设置一些无功补偿装置来补充无功功 率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压r 工作。这就 是电嘲需要装设无功补偿装置的道理。 电网中的电压和电流的相量间存在着一个相位差，相位角的余弦c o s 口即是功 率因数。它是有功功率p 与视在功率s 之比，即：c o s 舻= p s 。功率因数是反映 华南理工大学工学硕士学位论文 电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度及用电管理水平的一个重要技术 指标。从经济性的角度看虽然无功功率不做功，但占用电网容量和导线截面积，造 成线路压降增大，使供配电设备过载，谐波无功使电网受到污染，甚至会引起电网振 荡颠覆。 在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的 无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少 了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的 电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效 快的降损节能措施。因此解决用电系统无功容量不足，装设无功补偿设备，提高 功率因数，对于用电企业的降损节电、用电系统的安全可靠运行有着极为重要的 意义。 2 2 无功补偿的主要手段n 2 。1 5 删 2 2 1 同步调相机 它实际上是不带机械负荷、空载运行的同步电动机。它从电网中吸取少量有 功功率供给运转时的机械损耗和铜铁等损耗。同步调相机有过激磁和欠激磁两种 运行方式：过激运行时，向系统提供感性无功功率，为无功电源，这是一种经常 的运行状态；欠激运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，这是在 系统负荷较轻，无功功率过剩，电压过高时的特殊运行状态。只要改变同步调相 机的励磁，就可以平滑地改变它地无功功率地大小及方向，因而可以平滑地改变 所在地区地电压。 自2 0 世纪2 、3 0 年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的 无功补偿曾一度发挥着主要作用，所以被称为传统的无功动态补偿装置。然而， 由于它足旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而且响应速 度慢，难以满足快速动态补偿的要求。但由 ：其自身的优点，即在系统电压降低 时，靠维持或提高本身地无功处理能力，可以给系统提供紧急的电压支撑，所以 至今仍在高压输电系统中发挥者重要作用。另方面其体积大、噪音高、维护不 方便、造价高等原凶，目前在中、低压输电区域，大部分已被并联电容器组所取 代。 第二章无功补偿原理 2 2 2 并联电容器 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外均获广泛应 用。并联电容器补偿无功功率的方式按其安装的位置不同，通常有三种：( 1 ) 变 电站集中补偿方式；( 2 ) 用户集中补偿方式；和( 3 ) 用户终端分散补偿方式。 电容器与网络感性负荷并联，以并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经 济方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实 现对无功功率的动态补偿。 为了实现动态无功补偿，电容器从固定补偿方式发展到随负荷的变化自动投 切。但自动投切电容器目前没有统一的准则。根据实践经验，主要有五种方法： ( 1 ) 按母线电压的高低投切；( 2 ) 按无功功率的方向投切；( 3 ) 按功率因数大小 投切；( 4 ) 按负载无功电流大小投切；( 5 ) 按昼夜时间划分投切。 2 2 3 静止无功补偿器s v c 2 0 世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r s v c ) 所取代，目前有些国家已不再使用同步调相机。早期的静止无 功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) 型的，1 9 6 7 年英国g e c 公司制 成了世界上第一批该型无功补偿装罱。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响 应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且 存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未 能占据主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装 爱推上了无功补偿的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行 了晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年此类装置投入实际运行。随后，世界各大 电气公司都竟相推出了各具特色的系列产品。近1 0 多年来，占据了静止无功补偿 装置的主导地位。于是静止无功补偿装置( s v c ) 成了专指使用品闸管的静止无功 补偿装嚣，包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 平i j 晶闸管投 切电容器( t h y i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ， 或者t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e dc a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装置( 即t c r + f c 、t c r + m s c ) 等。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 i ：型无功补偿装置出现了，这就是采用白换相变流电路的无功补偿，有人称为静 【：无功发牛器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) ，也有人称其为高级静止无功补偿器 4 芦南理工大学工学硕士学位论文 ( a d v a n c e d s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r a s v c ) 或静止调相器f s t a t i c c o n d e n s e r s t a t c o n ) 。最近，日本和美国已分别有数台s v g 装置投入实际运行。 常用的4 种静止无功补偿器的特点如表2 1 所示： 表2 一l 典型的几种静止无功补偿器对比 t c r + f c t c rt s ct c r + t s c t c r + m s c 响应速度快快快快 吸收无功连续分级连续连续 控制较简单较简单较简单复杂 谐波电流大无较大较小 损耗 巾 小 巾 较大 2 3 无功补偿和电压控制的基本策略n “8 3 3 3 7 4 鄙 电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合 理安装补偿设备可以改善电压质量。 首先以输电线路要传输负荷( p + j q ) 时，线路电压损失u 情况为例简要分析 一下无功补偿的效果。在补偿前，a u 简化计算如下： a u = ( p r + q x ) u( 2 - 2 ) 式中：u 一一线路额定电压，k v ； p 一输送的有功功率，k w ； q 一一输送的无功功率，k v a r ； r 一一线路电阻，q ； x 一一线路电抗，q 。 安装补偿设备容量q c 后，线路电压降为a u l ，计算如下： u i = p r + ( q q c ) x u( 2 - 3 ) 很明显，u 1 0 9 8 ，滞后且 o 9 5 ，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时 已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到c o s 巾不满足 要求时，如c o s 巾滞后且 o 9 5 ，那么将一组电容器投入，并继续监测，c o s 中，如 还不满足要求，控制器则延时一段时间( 延时时间可整定) ，再投入组电容器， 直到全部投入为止。当检测到超前信号如c o s 巾 o 9 8 ，即呈容性载荷时，那么控 制器就逐一切除电容器组。要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时 就要先切除( 使电容器有充分的放电时间) 。如果把延时时间整定为3 0 0 s ，而这 套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为3 0 分钟，切除也这样。在 这段时间内无功损失补偿只能是逐步到位。如果将延时时间整定得很短，或没有 设定延时时间，就可能会出现这样的情况。当控制器监测到c o s m ( 0 ，9 5 ，迅速将 电容器组逐一投入，而在投入期间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控 制器则控制电容器组逐一切除，周而复始，容易形成震荡，最终会导致系统崩溃。 因此，通过调节控制器的延时投切的方法来防止接触器过于频繁的动作。当然， 足否能形成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整 定，要在保证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。它的主要缺陷就是牺牲短期 行为的大负荷所造成的无功损耗( 如电焊机、冲床等) 以保证供电系统的稳定。 日6 i ，围内仍以“静态”补偿装置为主，由于受电力系统电容器承受涌流能 力及次数、放电时间及电力电容器单台容量等诸多因素的限制，这类产品只能采 用有级的、延时的控制方法，由于是有级的，则容易产生过补或欠补现象，因而 补偿精度差，节能效果小理想；由于具有延时性，凶而使电网无功功率补偿伍时 间上得不到完全满足，即跟随性不好( 一般最快为1 0 秒) 从而也影响其补偿效果， 第三章配电嘲无功补偿技术 当负荷变化快，波动大时，无功补偿严重滞后。这种补偿方式适用于电流载荷相 对平稳的厂矿及住宅区。 2 瞬时投切方式 瞬时投切方式即人们熟称的“动态”补偿方式，应该说它是半导体电力器件 与数字技术综合的技术结晶，这类补偿装置一般采用可控硅取代接触器，其优点 是电容器投切时无涌流、无噪声。这是一套快速随动系统，控制器一般能在半个 周波至1 个周波内完成采样、计算，在2 个周期到来时，控制器已经发山控制信 号了。通过脉冲信号使可控硅导通，投切电容器组大约2 0 3 0 m s 内就完成一个全 部动作，这种快速投切方式是接触器( 依靠机械动作) 无法实现的。另外，动态 补偿的实际的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。控制器的检测物 理量应为无功功率或无功电流，最后，很重要的一项就是要求控制器要有良好的 动态响应时问，准确的投切功率，还要有较高的白识别能力，这样才能达到最佳 的补偿效果。 需要强调的是可控硅导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零， 以避免涌流造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制器指令撤消 时，触发脉冲随即消失，可控硅零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电 压交流峰值，必须由放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入。 开关件可以选单项可控硅正反并联或是双向可控硅，也可选适合容性负载的 固态接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路，元件的耐压及 电流要合理选择，散热器及冷却方式也要考虑周全。动态补偿方式作为新一代的 补偿装置有着广泛的应用前景。现在已有很多厂家生产这类产品 3 混合投切方式 实际上就是“静态”与“动态”补偿方式的混合，部分电容器组使用接触 器投切，而另一部分电容器组使用可控硅投切。实际上是“静态”部分相对静止 ( 接触器不常动作) “动态”部分经常活动，这种方式在定程度上可做到优势互 补，但就其控制技术，目前还未见到完善的控制软件，该方式比起单一的投切方 式拓宽了应用范围，节能效果更好。若补偿装置选择非等容电容器组，这种方式 补偿效果更加细致，更为理想。同时还可采用分相补偿方式，以解决由于线路三 相不平衡造成的损失。 3 2 2 常用补偿方式 1 静态补偿m s c ( m e c h a n i c a l l ys w i t c h i n gc a p a c i t o r ) 聚用普通的控制器+ 专用接触器。 华南埋工大学工学硕士学位论文 2 准动态补偿t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h i n gc a p a c i t o r ) 这种设备解决了静态补偿装置延时投切方法，其跟踪时间可减少到2 0 m s ，且 电容器投入时无涌流，无过压，工作无噪声，是一种免维护的准动态补偿装置。 但由于受可控硅导通特性及电容器分级容量的影响，这种补偿装置的无功调节是 有级的，所以具有“静态”特征。 3 准动态补偿m s c + t c r ( m e c h a n i c a l l ys w i t c h i n gc a p a c i t o ra n dt h y r i s t o r c o n t r o l l i n gr e a c t o r ) 该装置的工作原理是考虑到大部分低压用户的无功电流在一定的时间内变化 量是电容器补偿总量的一部分，所以在静态补偿装置的基础上，辅助了一个较小 容量的电抗器用微机控制下的可控硅电流进行调节( 电抗容量为电容器总容量的 2 0 ) 使电网无功可连续调节。在t c r 的调节范围内，其跟踪时间也很快达到 2 0 m s ，但其交接时间也就是从电网无功超出t c r 的调节范围时刻起到m s c 投切 电容器时间间隔，同静态装置一样，由于受电容器放电时间、接触器工作频率等 因素的限制，最快只能达到2 s 左右。所以使用范围上有一定的限制。 4 全动态补偿t s c + t c r ( t h y r i s t o rs w i t c h i n gc a p a c i t o ra n dt h y r i s t o rc o n t r o l l i n g r e a c t o r ) 该装置选用编码投切方式，以减少无触点开关数量，也便于降低成本，因此 每步投入电容器容量也小，与之相配的电抗器容量也小，使成本进一步降低，该 方案选用电抗器容量可以是电容器总量的1 0 左右，当电网无功变化在电抗器容 量范围以内时，用t c r 做连续调节，其跟踪时间最快可达2 0 m s ；当电网无功变化 在电抗器容量范围以外时，由于