（电气工程专业论文）调压型无功补偿系统及应用的研究.pdf

| 孝 ? 菱 v ，鼍 一 嘲 p 士= i明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文调压型无功补偿系统及应用的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 弛斟 华北电力大学工程 摘 随着我国经济和现代科学技术的不断 机容量也在迅速增加，但伴随供电量增加的同时，供电质量和电能损耗问题也显得 日益突出。目前国内在电能质量控制方面的研究，主要是谐波抑制和无功补偿。该 课题旨在通过对调压型高压无功补偿方式研究入手，制定调压型无功补偿系统的研 究及实验方案，对实际电网应用系统中所涉及的谐波检测、谐波拟制以及电网中无 功与谐波分量的相互影响进行研究，制定根据不同负荷及现场的实际情况，选择最 为适宜的无功补偿方式和谐波拟制策略，取得最佳的补偿效果和谐波拟制效果，对 提高功率因数、节约电能，降低网络损耗、提高电能质量具有重要研究意义。 关键词：调压型，无功补偿，应用研究 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m ya n dm o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h ea r e ao ft h ep o w e ra p p l i c a t i o n si sm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d ，a n dt h ep o w e r i n s t a l l e dc a p a c i t yi sa l s or a p i d l yi n c r e a s i n g b u ta c c o m p a n i e db yt h ei n c r e a s ei np o w e rs u p p l y , a tt h es a m et i m e ，p o w e rq u a l i t ya n dp o w e rd i s s i p a t i o np r o b l e m sb e c o m ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h er e s e a r c hi nt h ec o n t r o lo fp o w e rq u a l i t y i sm a i n l y h a r m o n i cr e s t r a i n i n ga n ds t a t i c 、，打c o m p e n s a t o r t h es u b je c ta i m sa tp r o g r a m m i n g r e s e a r c ha n de x p e r i m e n ti nt h ev o l t a g er e g u l a t o rt y p er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n s y s t e mb ys t u d y i n gr e g u l a t o rt y p eh i g hv o l t a g er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm o d e ， s e l e c t i n gt h em o s ta p p r o p r i a t em e a no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt h em o s t a p p r o p r i a t es t r a t e g yo fh a r m o n i cr e s t r a i n i n ga c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tl o a d sa n dt h ea c t u a l s i t u a t i o n ，b ys t u d y i n gh a r m o n i cd e t e c t i o n ，h a r m o n i cr e s t r a i n i n ga n di n t e r a c t i o no ft h e r e a c t i v ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n t si nt h ea c t u a lg r i da p p l i c a t i o ns y s t e m ，a c h i e v i n gt h e b e s te f f e c ti nt h ec o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cr e s t r a i n i n g , w h i c hm a k e si m p o r t a n ts e n s et o t m p r o v m gt h ep o w e rf a c t o r , s a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n gn e t w o r kl o s s e sa n di m p r o v i n gt h e p o w e rq u a l i t y z h a n gy a n h u a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a nj i a n s h e k e yw o r d s ：r e g u l a t o rt y p e ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，a p p l i c a t i o n 中文摘要 英文摘要 第一章引言 1 1 课题 1 2 无功 1 3 谐波 1 4 国内外研究动态“山_ ：一“5 1 5 本文研究的主要内容6 第二章无功调节控制原理8 2 1 电容无功补偿的原理8 2 2 无功调节原理8 2 3 控制原理9 2 4 无功补偿与电压控制方程10 2 5 谐波影响15 2 6 硝、结19 第三章系统功能及硬件设计2 0 3 1 系统功能描述吖20 3 2 控制及外围设备选择2 0 3 3 变电站主接线23 3 4 电压无功综合微机控制器硬件系统构成2 4 3 5 小结2 6 第四章控制系统软件设计2 7 4 1 软件结构概述2 7 4 2 数据采集2 8 4 3d 、结”一”2 9 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 第五章无功补偿与电网谐波控制策略3 0 5 1 概述3 0 5 2 控制策略分析3 0 5 3 新型谐波与无功补偿装置综合控制策略3 2 5 4 小结”? ”? “3 6 第六章结论3 7 参考文献? ? 一4 0 致 射”? ? 一“”一j ”4 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究的背景及其意义 随着我国经济和现代科学技术的不断发展，电能应用领域越来越广泛，电力装 机容量也在迅速增加，但伴随供电量增加的同时，供电质量和电能损耗问题也显得 日益突出。人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。一方面对供电质量要求更加 严格，另一方面要大力减小供电损耗。电能质量控制是一个复杂的系统工程，包括 电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量的实时检测和控制等技术。目前国内在电 能质量控制方面的研究，主要是谐波抑制和无功补偿。安装无功补偿装置不但是降 低网络损耗提高供电质量的重要手段，而且还是提高供电能力、增加供电量、减小 供电成本的重要途径。同时随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，电网中的 谐波含量不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，被 公认为电网的一大公害。因而了解谐波产生的原因及危害，研究谐波的治理措施，对 改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着十分重要的意义。该课题旨在通过 对调压型高压无功补偿方式研究入手，制定调压型无功补偿系统的研究及实验方 案，对实际电网应用系统中所涉及的谐波检测、谐波拟制以及电网中无功与谐波分 量的相互影响进行研究，制定根据不同负荷及现场的实际情况，选择最为适宜的无 功补偿方式和谐波拟制策略，取得最佳的补偿效果和谐波拟制效果，对提高功率因 数、节约电能，降低网络损耗、提高电能质量具有重要研究意义。 国家及电力部门无功补偿配置的技术原则如下： ( 1 ) 电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运 行方式下一分( 电压) 层和分( 供电) 区的无功平衡。分( 电压) 层无功平衡的重点是 2 2 0 k v 及以上电压等级层面的无功平衡，分( 供电) 区就地平衡的重点是1 l o k v 及以 下配电系统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，实施分散就地补偿与变电 站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满 足降损和调压的需要。 ( 2 ) 各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。 ( 3 ) 各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类 型的无功补偿装置。所装设的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免 大量的无功电力穿越变压器。 ( 4 ) 2 2 0 k v 变电站的容性无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部 分线路的无功损耗。补偿容量按照主变压器容量的1 0 一2 5 配置。 ( 5 ) 3 5 一l l o k v 变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当 华北电力大学工程硕士学位论文 兼顾负荷侧的无功补偿。容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的1 0 一3 0 配 置。 ( 6 ) 电力用户应根据其负荷特点，合理配置无功补偿装置，并达到以下要求： l o o k v 及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不宜 低于0 9 5 , 其它电力用户，功率因数不宜低于o 9 0 。 国家及电力部门电压无功运行技术要求如下： ( 1 ) 无功电压工作的基本内容就是使任一时间( 适时) 和任一负荷的无功总出力 无功补偿) 与无功总负荷( 含无功负荷) 保持平衡并努力降低线损。 ( 2 ) 3 5 k v 一2 2 0 k v 变电站在主变最大负荷时，其一次侧功率因数不低于0 9 5 ，在 低谷时功率因数不应高于o 9 5 。 ( 3 ) 公用电网的无功补偿以公用配电变压器低压集中补偿为主，补偿高压侧功 率因数达到o 9 5 以上。 ( 4 ) 对于用户则按用电多少，即按月功率因数进行功率因数奖罚。 ( 5 ) 对于运行电压国标g b l 2 3 2 5 - 1 9 9 0 对供电电压质量进行规定，3 5 k v 以上供电 正负偏差绝对值之和不超过额定电压的1 0 ，l o k v 及以下供电电压允许偏差为额 定电压的士7 ；2 2 0 k v 单相供电电压为额定电压的+ 7 ，- 1 0 。 目前国内实际运行电压l l o k v 以上变电站基本满足国标要求；而3 5 k v 以下变 电所电压质量差距较大，造成这种局面的原因是多方面的，但市场上没有适合无功 自动调节的设备是主要原因。 1 2 无功对电力系统的危害 所谓电力系统的无功功率平衡就是指电网运行的每一时刻，所有无功电源发出 的无功功率要与所有负荷消耗的无功功率和系统中各环节上的无功功率损耗相等。 系统中的无功电源包括同步发电机、调相机、并联电容器、静止无功补偿设备等； 系统中的无功损耗主要是指线路、变压器、电气设备中的无功损耗。从整个电力系 统来讲，只有具备足够的无功电源来满足负荷对无功功率的需求和系统的无功损耗 才能维持整个系统的电压水平。如果系统的无功电源不足，则会使系统处于较低电 压水平上的无功功率平衡；反之，如果系统因为缺乏调节手段而使某段时间内的无 功功率过剩，就会造成整个电网的运行电压过高。 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求日益增 长，同时对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增长、电源 的大幅增加和电网建设的发展，可能造成系统的无功潮流分布不尽合理及局部地区 一 的无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂j ，当系统受 到软大干扰时，也可能在电压稳定比较薄弱的环节导致电压崩溃。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 工业生产和日常生活中的大部分负荷都是阻感负载，如：交流电动机、变压器、 架空线、电抗器、非线性负载等等。在这些阻感性负载工作时就会和电网交换大量 的无功功率。无功功率对电力系统的影响主要有以下几方面： 1 2 1 增加设备和网络的损耗 无功潮流在电网中流动会使线路发热、加速老化、绝缘降低，增加设备和网络 的损耗。对于供电部门，网络的损耗会增加其供电成本，给系统安全运行带来隐患。 对于用电单位，无功造成较低的功率因数会提高用电成本，引起终端电压的波动， 降低了用电的稳定性和可靠性。 1 2 2 降低设备的有效容量 由于电气设备的视在功率是一定的，无功功率的输送占用了设备、线路的有效 容量，从而降低了设备的使用效率。对于供电部门来说，造成了输电、供电能力的 损失。对于用电单位来讲，造成了投资和资源的浪费。 1 2 3 影响电压稳定水平 负荷点的电压水平与无功功率平衡密切相关。如果系统不能向负荷提供足够的 无功功率，负荷的端电压就会下降。快速变化的无功负荷还会造成电压的剧烈波动， 导致系统电压的稳定遭到破坏。 1 2 4 发电机的不利影响 发电机是系统的有功电源，同时也是主要的无功电源。当无功负荷变化时，如 果其它无功电源不足以维持整个系统的无功功率平衡，就需要发电机改变其运行状 态来参与无功功率的调节。由于原动机的效率是按有功功率来衡量的，当发电机的 视在功率一定时，一旦发电机偏离额定工作状态，无论是提高功率因数多发出有功、 还是降低功率因数多发出无功，均会导致发电机效率的降低，不能使发电机得到充 分的利用。 1 3 谐波对电力系统的危害 谐波对电力系统的危害主要表现在以下几方面： 1 谐振和谐波放大。 谐波放大是指谐波源注入谐波的频率在网络谐振点附近谐振区内，激励电感、 电容产生都分谐振，完全谐振是谐波放大的极端情况。系统中某些电感、电容元件 对于谐波源形成串联或并联回路时，就可能产生串联谐振或并联谐振。谐振还会引 起继电保护装置误动，谐振产生的过电压和过电流有可能对设备和元件造成损坏， 3 华北电力大学工程硕士学位论文 其后果非常分严重。 并联补偿电容器装置在谐波放大和谐振的情况下会造成过电流、过电压、过负 荷和过热导致电容器的损坏。此外，输电线路存在的分布电感和对地电容，l l o k v 及以上架空线路，对地电容已经不能忽略。随着线路电压等级的升高，采用分裂 导线数的增多，如2 2 0 k v 线路采用单导线或双分裂，5 0 0 k v 线路采用三分裂或 四分裂使得线路单位长度的感抗呈减小趋势，而线路单位长度的对地电容则随电压 等等级的升高而加大，线路的距离也在增长，这些因素都增大了高压输电线路在低 次谐波处产生谐波放大和谐振的可能性。 2 干扰继电保护和自控装置正确动作 谐波在正序基波量的基础上产生的干扰。 干扰。 谐波在负序基波量的基础上产生的干扰。 元件的保护和自动化装置的干扰等。 比如对电容器补偿装置过电流保护的 比如对各种以负序过滤装置作为启动 3 对变压器和线路的影响以及谐波网损 系统变压器和线路损耗构成电网损耗的主要部分，在负荷变压器、向谐波负荷 供电系统的主变压器和馈电线路中，谐波电流在变压器绕组和线路中传输都将产生 附加损耗，谐波使网损增大。当发生系统谐振或谐波放大的情况时，谐波网损可达 到相当大的程度。 谐波电流会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，有可能局部过热。 另外谐波还能引起变压器振动，使运行噪音增大。 4 对电机的危害 谐波电流注入电机后，畸变的电流波形在电机绕组中产生的总损耗是基波电流 损耗和各次谐波电流产生的附加损耗之和，各次谐波的附加损耗与谐波电流含有率 的平方以及谐波次数的平方根成正比。 钉子绕组中的谐波电流产生相应转速的谐波旋转磁场，切割转子，在同步发电 机的转子组合铁芯和异步电动机的转子铁芯叠片中感应产生谐波涡流，引起转子铁 芯附加损耗和发热。谐波还会引起旋转电机的振动并且增大运行的噪音，长时间的 震动有可能引起金属疲劳和机械损坏。 5 对电子设备的危害 谐波、畸变波形产生的多个过零问题会破坏电子设备的正常运行，比如对数字 时钟的影响。另外，电力电子电源使用波形的峰值维持滤波电容的全充电，谐波畸 变可能提高或削平波峰峰值。 6 对断路器、熔断器的影响 电流波形的畸变会明显影响断路器的断路容量，当存在负荷电流畸变时，在过 零点时可能造成高的d i d t ，比电流为正弦时开断更为困难，可能延长故障电流的 4 华北电力大学工程硕士学位论文 切除时间，造成快速重合闸后的再燃。熔断器是由于发热而熔断的，因而本质上是 均方根值过流器件，它们对谐波电流集肤效应引起的发热非常敏感。 除此之外，谐波还影响电能计量装置、测量仪表和照明设备，对通信产生干扰。 1 4 国内外研究动态 1 4 1 无功补偿方式及存在的问题 无功补偿目前主要有同步调相机和固定电容器两种补方式。由于固定电容器设 备简单、投资较小、维护费用低，因此，除非特殊需要，都采用固定电容器补偿。 目前我国电力系统所采用的电容器无功补偿主要有单或多组投切固定补偿方式、可 控电抗器配合调节等方式。在这些方式中，电容器均是全电压投切。 目前，高压无功补偿方式主要包括：机械开关分组投切电容器( m s c ) 、晶闸管 分组投切电容器( t s c ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 。 m s c 方式，选用真空接触器、真空断路器等作为电容器组的投切元件。这种方 式适合于负荷波动不十分频繁的系统，因其成本低、维护简单，目前在国内正在大 量应用。m s c 是一种电容器分组的有级补偿方式，精度受限制，响应速度较慢，投 切时会产生涌流和过电压，对电网和电容器造成冲击有一定的伤害。 ，t s c 方式是采用晶闸管作为开关，过零触发，分组投切电容器组，也是一种有 级补偿方式。它响应速度快，可以频繁动作，不对电网和电容器造成冲击。但这种 方式中高压晶闸管的串联均压技术、晶闸管的保护技术、电容器的过零投切技术复 杂，制造成本远高于m s c 方式。 t c r 是一种晶闸管控制电抗器的静止无功补偿装置，优点是实现了无级补偿， 可以实时连续补偿无功功率，可以频繁动作，寿命长，响应速度快。但其控制和保 护技术复杂，成本过高，并产生谐波，对电网造成污染。 。， 目前补偿装置存在的问题 固定装置和自动投切的电容器组不能满足系统及用户要求，经常出现过补和欠补问 题，其原因是系统负荷变化是经常的，基本上没有固定的变化规律，因此不管对电容器 如何分组都不能完全满足系统无功变化的要求，另外采用的投切方式不能适时跟踪进行 补偿，因为电容器本身从电网退出运行时有一定的残余电荷，必须放电到一定程度才能 重新投入，否则会使电容器老化或损坏，另外对电容器分组不能过细，分组过细会造成 开关设备投资增加、装置占地过大等，电容器无论事先如何按人们设想分组也不会正好 达到平衡感性无功的需要。 这些问题都影响补偿装置的安全运行，造成电压、功率因数不合格，调压式动 态无功补偿方式能够较好的解决上述问题。调压型高压无功自动补偿方式是一种利 用有载调压器，通过改变电容器组的端电压来调节无功输出容量的无功补偿装置。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 根据q = 2 丌f c u 2 的原理，新型装置不再改变电容c 来调节无功输出，而是用特殊手段控制 电容器两端的电压u 来改变其无功输出，补偿系统感性无功。其特点是电容器固定接入 系统，不再进行分组，减少了因分组造成的辅助设备投资等问题。电容器两端的电压不 再因投切产生突变，因此没有投切过电压问题。另外由于调节时不考虑电容器充放电时 间问题，其调节时间可以不受限制，可以实现适时跟踪调节。考虑实际需要，目前已经 投放市场在电力系统运行的新装置，电压调压范围为额定电压的6 0 1 0 0 其无功输出 调节范围为电容器容量的3 6 1 0 0 。 由于有载电压调节器采用了电阻过渡的有载分接开关，通过不问断、平稳地改 变电容器运行电压来自动调节无功补偿容量。其本身不产生谐波。可以克服机械投 切的m s c 装置产生投切涌流和过电压对系统和设备损害，同时又不像t s c 装置、t c r 装置制造和维护技术复杂、有谐波危害以及过高的成本。 1 4 2 谐波问题研究 在研究无功补偿系统的同时，不得不研究电网谐波和无功分量的相互影响关 系，由于电力系统中存在各种非线性元件产生的电网谐波。其谐波电压和谐波电流 对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，主要表现为引起电动机、变压器、电 容器和输电线路等电气设备附加损耗和发热，同时谐波注入电网后会使无功功率加 大，功率因数降低。在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节无功的作用。但 当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和 附近电气设备的安全。 目前，虽然无功补偿和谐波治理的研究有多种方式，但大部分局限于无功补偿 和谐波治理单独进行设计安装以改善电网质量，就是说需要进行无功补偿时安装补 偿装置，需要进行谐波治理时再考虑谐波治理装置，因此，该课题拟采用调压型无 功补偿方式的同时，将对系统涉及的谐波测量、分析和拟制控制策略进行研究，以 期达到最佳无功补偿效果和谐波拟制效果。上述特点，正是我们研究该课题的重要 意义所在。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究了一种新型的电压无功综合控制装置，该装置采用调节电容器两端电 压来改变无功输出容量，并根据补偿情况和现场谐波数据进行无功补偿与谐波拟制 的综合控制策略进行分析研究，具体内容如下： ( 1 ) 对电压无功综合控制和谐波拟制相关文献资料的调查分析与整理，分析确 定实施方案。 ( 2 ) 完成电压无功综合控制装置的设备选型及总体设计。 ( 3 ) 完成电压无功综合控制装置硬件设计。 6 华= ! 皇垄奎兰三堡堡主堂垡笙奎 一 一 ( 4 ) 完成电压无功综合控制装置控制器软件结构设计。 “ ( 5 ) 根据补偿情况和现场谐波数据进行无功补偿与谐波拟制的综合控制策略分 析。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章无功调节控制原理 动态补偿是根据感性无功变化，及时调节补偿电容器发出的无功总量。改变无 功总量有两种方法：一是改变投入的等效电容量，另一个是改变电容两端的电压。 传统补偿方式采用的是改变投入的等效电容量的方法，调压式高压动态无功补偿系 统采用的是第二种方法，即根据电容器无功输出容量与端电压的关系，q = 2 f c u 2 ， 通过改变电容器“c ”的端电压u 来调节其无功输出量q ，改电容器的分组投切为一 次固定接入，解决了电容器投切中的过电压和涌流等技术问题，改滞后调节为实时 调节。以满足系统无功变化，达到稳定电压、提高功率因数，实现提高电压质量， 降低电能损耗的目的。 2 1 电容无功补偿的原理 1 装设并联电容器。并联电容器主要用于频率为5 0 h z 的电网中提高功率因数， 作为生产无功功率的电源。 2 电容器的电容与无功容量。电容器有容纳电荷的本领，但不同电容器容纳电 负荷的本领是不同的。当给电容器两极板间带电后，两板间产生电势差，我们把电 容器的带电量跟电势差的比值叫电容器的电容。对于同一个电容器来讲，电容值是 一个恒量。即： c = q u ( 2 一1 ) 式中c 电容器的电容，单位为法拉( f ) 卜电容器所带电荷，单位为库仑( c ) u 电容器两级间的电势差，单位为伏特( v ) 因为法拉的单位太大+ ，使用起来很不方便，实际使用中通常用较小的单位 微： 法( pf ) 和皮法( p f ) 。它们间的换算关系为： 61 2 i f = 1 0i if = 1 0p f 当给电容器两端施以正弦交流电压时，它发出的无功功率称为无功容量。用公式 ( 2 - 2 ) 表示： q = u 2 x c = 2 兀f c u 2 _ 式中x c 电容器的容抗( q ) ， 即x c = i c = i 2 矗f c 。 一。 卜电源频率( h z ) ； 2 2 无功调节原理 8 ( 2 - 2 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 根据q = 2 靠f c u 2 ，式中2 丌为常数，可以通过改变频率f 、电容量c 和电压u 来 调节功功率大小，改变电容量可以通过分组投切电容器来实现，改变电压可以通过 调节电容器端电压来调节电容器的无功出力，一次接线图如图2 一l 所示。 1 电容器组开关3 邂哥器 5 放电线圈 2 电压嘲节嚣4 并联电喜嚣 6 电抗器 图2 - 1 无功一次调节线路图 2 3 控制原理 它可以根据系统电压无功参数，按照九区图及模糊控制原理保证母线电压在 合格范围内，保证功率因数在设置范围内，保证功率因数最佳，线损最小，提高系 统电压合格率。 装置电容器固定接入，不采用投切电容方式调节无功，而是根据q = 2 f c u 2 改变电容器端电压来调节无功输出，满足系统无功出力要求。 电压调节器在调节过程中无过电压存在，可以保证电容器安全，延长其使用 寿命。 可采用电容器低电压合闸，有效降低电容器合闸涌流对系统及电容器本身的 冲击。 由于调压过程电容器始终不脱离电网，无充放电现象，因此无调节延时，可 实现适时调节。 装置辅助损耗小，仅为电容器容量的2 左右。 控制器调节原则：保证供电电压在允许的变动( 整定值) 范围内的前提下， 充分调节控制无功补偿控制器，实现电网无功功率就地平衡。 图2 - 2 无功一次调节原理图 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 4 无功补偿与电压控制方程 理论上来讲，电站的无功控制、电压、谐波是一个有多目标以及众多约束条件 的问题，以实现系统的最优控制为最终目标。系统目标为：维持供电电压在规定的 范围内、保持电网稳定、无功功率平衡、在电压合格的前提条件使电能损耗最小： 约束条件：主变分接头日动作次数、电容器开关日动作次数、电压和无功上下限、 受控对象的运行状况、电网谐波等。 2 4 1 变电站等值电路 u s u i k ：i u dr l + j x l ul 图2 3 简化变电站等值电路图 u s - 一系统电压 u 。变电站主变高压侧电压 k ：l 变压器变比 q 广_ 电容器补偿的无功功率 r 。、x s 一变压器等值阻抗 u 。一变电站主变高压侧电压 u 。负荷端电压 p l 、q 广有功无功负荷 r 。、x 。一变压器等值参数 r 。、x 广线路等值阻抗 2 4 2 控制方程 - 一 按照图2 3 计算，将所有参数归算到高压侧， u o 。以一盟肇垫 。 u 0 u 0 归算到高压侧的低压侧母线电压 砖+ 成系统的等值阻抗 乓+ j g 一系统的传输功率 。 当变电站低压侧母线的电容器组投入后 u 么。以一墨鱼! 鱼二鱼出 。 u 么 并忽略压降的横向分量： ( 2 3 ) u ，如低压侧母线的电容器组投入后归算到高压侧的低压侧母线电压 1 0 ( 2 - 4 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 设投入电容器组前后系统电压u 。不变，则由( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式合并得： u o + 墨生肇圣：u z + 墨塾! 垦二垒2 墨 ( 2 5 ) udu 啦 由( 2 - 5 ) 式得： q c 刈么肌) 譬 ( 2 6 ) 将u 么u 0 改用低压侧实际电压表示 丝：型竺兰：丝圣 ( 2 7 ) 一= - 一 i 二一ij 22 k 由( 2 - 7 ) 式可见，电压调节不仅受无功补偿影响，而且和变压器变比及受控 电压侧母线的短路容量有关。因此变电站的电压与无功控制彼此不是孤立的，是相 互影响的，要将电压和无功控制综合起来考虑，以实现变电站电压、无功的最优控 制。 2 4 3 变电站电压与无功调节最优控制 调节有载调压变压器分接头位置或投切电容器改变无功补偿量q c ，都将引起变 电站母线电压u 和从系统吸收的无功功率q ( q = q i + q c ，其中，q 1 为投切电容器前 从系统吸收的无功功率) 的变化，变化关系见表2 - 1 ( 分接头正接) 表2 - 1分接头正按时u 、q 动作变化关系 动作类型u 变化q 变化 升主变分接头u 下降q 减少 降主变分接头u 上升q 增加 投电容器 u 上升 。 q 减少 切电容器 u 下降q 增加 2 4 ：4 九区图控制策略 电力系统的电压是衡量电能质量的一项重要指标，电压波动过大，不仅会影响 电气设备的效率和寿命，而且还会危及到系统的安全稳定运行，甚至会引起电压崩 溃造成大面积停电的严重事故。因此保证电压质量合格，是电力系统安全优质供电 的重要条件。同时无功是影响电压质量的一个重要因素，而实现无功的分层、分区 就地平衡是降低网损的重要手段。因此各级变电站担当着电压和无功调节的重要任 务。在变电站中利用有载调压变压器和并联补偿电容器进行局部的电压及无功补偿 的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规定范围内及进线功率因数尽可能接近l ， 华北电力大学工程硕士学位论文 称为变电站电压无功综合控制( v q c ) 。为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠 经济运行，对变电站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制措施。v q c 的基 本原则要求是：保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数。由于过度频繁 的调节有载调压变压器分接头和投切并联补偿电容器会引起变压器和开关设备故 障，因此各变电站对其日调节次数均有严格的限制。合理的电容器组投切方式是采 用循环投切方式，使先投入运行的电容器组先退出，后投入的后切除，以减低电容 器组的平均运行温度，减少投切开关的动作次数，延长其使用寿命。 目前国内的变电站电压、无功综合控制装置都是根据变压器实时运行状况，再 有预先给定的电压、无功上下限在电压、无功平面上划分成九个区域，然后判断电 压、无功是否越上下限来决定相应调控测控略。 2 4 4 1 传统九区图控制策略及缺陷 目前较多的v q c 产品采用基于九区图的控制策略，控制装置根据电压、无功、 时间、负荷率、开关信息、有载调压变压器分接头档位和电容器投切等多因素进行 综合判断，根据实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制方案，闭环地控 制站内并联补偿电容器的投切及有载调压变压器分接头的调节，以最优的控制顺序 和最少的动作次数使 运行点进入到第9 区( 正常工作区) 。 p + j q u q 下限q 上限 超前c o s 巾= lc o s 埠t p gq 下限q 上限 一二： 一 ( a ) u u ， ( c ) b 厶q u u 上限 a 厶u q u 下限 f - 图2 - 4 传统的九区图法示意图2 - 5 传统的九区图法示意 传统的九区图法控制策略是按照固定的电压和无功( 或变电站进线端功率因 数) 上下限将电压一无功平面划分为9 个区域。u 是变压器低压侧母线电压，q 是 变压器高压侧无功功率( 见图2 - 4 a 图) 。q 越下限( 功率因数超前) 表示变电站向 龟网倒送无功，q 越上限( 动率因数滞后) 表示电网无功不足；q 上下限之差应至 少大于l 组电容器容量。有载调压变压器和并联补偿电容器的基本调节规律为：变 压器分接头上调( 或下调) 后，u 变大( 或变小) ，q 变大( 或变小) ，进线功率因 数c o s 由变小( 或变大) ，一般调节分接头对无功的影响不大：投入( 或切除) 电 容器后，q 变小( 或变大) ，u 变大( 或变小) ，c o s 巾变大( 或变小) 。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 传统九区图法由于未考虑无功调节对电压的影响及电压调节对无功的影响，实 际使用时会造成振荡、装置频繁动作的现象。例如图2 - 5 中，如系统运行于a 点( 位 于u q 小区，u q 为投入1 组电容器所引起的电压变化量) ，电压接近上限而无功 严重不足，根据3 区的控制方案，将投入1 组电容器进行无功补偿，引起电压升高， 则投电容后运行点将可能进入2 区而非9 区( 也可能进入1 区) ：装置再根据2 区 的控制方案( 下调分接头降压) 使运行点可能又回到u q 小区，如此反复，从而产 生振荡动作。 ， 一 j - ，： ：。又如图2 - 5 中，如系统运行于b 点( 位于q u 小区，q u 为上调1 档分接头 所引起的无功变化量) ，电压越下限而无功接近上限，根据5 区的控制方案，应先 上调分接头升压，引起无功变大，则上调分接头后，运行点有可能进入3 区；而根 据3 区的控制方案：先投电容，若无电容可投，则下调分接头。如果无足够的电容 可投，则下调分接头，运行点就又可能回到q u 小区，从而产生振荡。 九区图法还存在着其他缺陷，文献中指出如变电站一二次母线电压都高( 低) 时，应首选切除( 投入) 电容的措施，而不是如l 、2 区( 5 、6 区) 采用降压( 升 压) 的控制方案，使二次电压变小( 变大) ，从而使二次电压会变得更大( 更小) ， 可能会造成系统电压失稳。 2 4 4 2 改进型九区图控制策略及特点 电无压功综合控制原则： 以九域图为基础，以变压器高端电压是否正常、电容器投切引起的母线电压波 动及动作延时时间等为约束条件，并且九域图中q 值的上下限和u 的上下限都可根 据需要随时调整和修改。如( 图2 6 ) 所示。 辨嚣 q 下限q 上限 6 q , u u 上限 2 g j u 下限 。 图2 - 6 改进型九区图 ? 各区域控制策略： ， 1 区：电压低于下限、无功也低于下限。此时以电压合格为主，先发升压指令。 如调压开关到最高档，则发强投电容指令。 2 区：电压低于下限，发升压指令，如果调压开关已到最高档，同样发强投电 容指令，以满足电压要求。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 3 区：电压低于下限、无功缺额高于上限。发投电容指令，因为投电容后，电 压会相应升高。很可能直接进入9 区，如果电容投完，电压仍低于下限，则发升压 指令。 i 。 4 区：电压正常，无功缺额大。发投电容指令，电容投完，仍在此区，则维持 不动。 ，。： 、， 4 a 区：此区是个电压敏感区，为了尽量减小动作次数，此时不发任何指令，维 持不动( 也可以按先降压，再投电容的方式运行) 。 5 区：电压高于上限，无功缺额大。先发降压指令，当开关档位处于最低档时， 发强切电容指令。 - 。，：_ ? 6 区：电压高于上限，无功正常。- 发降压指令，当开关档位处于最低档时，也 发强切电容指令。 ： + ： 7 区：电压高于上限，。无功低于下限。发切电容指令，电容切完i 电压还高于 上限，则发强降压指令。 。： 一 。：。 ： 8 区：电压正常，无功低于下限。发切电容指令。 ， 8 a 区：此区也是个电压敏感区。维持不动( 也可以按先升压，再切电容的方式 运行) 。 。 9 区：正常区。 一， l o 、1 1 区：此区为电压异常区。可能是电网发生了故障，或者是检测信号回路 出现故障。此时将闭锁各种操作，只发声光报警信号。 对同容量电容，根据无功量判断，需投切电容时，采取循环投切的方式延长了 电容和投切开关的使用寿命。 对不同容量电容，按无功量大小自动选择匹配电容投切并兼顾动作次数。 最佳合理控制减少动作次数。 调压控制灵敏度在大范围内任意可调，、用户可自己兼顾电压合格率和动作次数 的矛盾。 采用模糊控制，在电压小量不合格时自动延长调压时间；误差较大时，加速动 作。 采取独特实用合理的优化控制方案，最大限度地减少动作。 然而上述的控制策略并不是一成不变的，可以根据具体的控制方式作相应的变 化。控制方式主要有以下三种： 一 1 电压优先；当任何调节手段都不能使u 、q 都正常时，优先考虑电压正常。 当前大部分变电站都是以电压优先方式控制，上述的控制策略就是按这一方式确定 的。 一 t 一 2 无功优先：任何调节手段都不能使u 、q 都正常时，优先考虑无功正常。 。 3 综合控制：当任何调节手段都不能使u 、q 全部正常时，v q c 不动作。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 综合以上的分析，可以得出变电站电压、无功综合控制装置的工作原理：通过 实时对变压器的电压、电流、无功等电气参数的测量，判断其运行点所处的区域， 并确定控制方案，进行操作。使变压器的运行点尽可能工作在设定的运行范围之内。 2 5 谐波影响 变电站电压无功控制是一个复杂的多输入、多输出、多约束的实时控制系统。 被控对象的每一次动作前，都要对与它有关的约束条件进行判别，只有当所有的约 束条件都符合以后才能动作，防止动作后对变电站的安全带来影响。例如，p t 断线 装置没有考虑电压异常对调压的约束，就会导致v q c 不断地将所控制的母线电 压调节上升，引起严重后果；还有对于电容器投切之间的延时约束也很重要，如果 电容还不到5 分钟又将它投上，则有可能会发生电容器由于带电合闸而发生爆炸。 可见对v o c 的动作约束条件应考虑全面，否则就会带来负面影响。 2 5 1 谐波对并联电容器影响 2 5 1 1 谐波对电容器的直接影响 谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流的有效值增大，温升增高， 甚至引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。 2 5 1 2 电容器对谐波的放大 电压叠加在电容器基波电压上，不仅使电容器的电压有效值增大并且可能使电 容器的龟压峰值增大，使电容器运行中发生的局部放电不能熄灭。这往往是电容器 损坏的一个主要原因。 1 电容器对谐波电流放大原理 。 电力系统中如果没有电容设备。且不考虑输电线路电容，。则其谐波阻抗 z s n 2 r s n + j x s n 式中r s n 一系统的n 次谐波电阻 x s n - - n 次谐波电抗x s n = n x s x s 一工频短路电抗 并联电容后，设并联电容器基波电抗为x cn 次谐波电抗为x c n ，系统的谐波 等效电路如图2 - 7 所示，则系统的n 次谐波阻抗值z s n 为 i x c n z s n z 。s n = = - - - - r s n + j ( x s n x c n ) ( 2 - 8 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 r n x s n 图2 7 并联电容器与系统谐波等效电路 由( 2 8 ) 式可以看出，装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同 会发生变化，即可以为感性也可以为容性，并且当系统的谐波频率达到某一特定值 时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值。 如果谐波源为1 1 次谐波电流i n 注入电力系统，i s n 为进入电网的谐波电流，i o n 为进入电容器的谐波电流，如图2 - 8 所示： a ) ( - ) 电路 c b ) cb ) 谐波等效电路 l 士i 图2 - 8 电力系统简化电路及谐波等效电路 根据电路计算公式： 一， 一j 删产i - j x c n 一 i r s