（电气工程专业论文）10kv配电网无功补偿效益分析及优化研究.pdf

华南理工大学工程硕士论文 a b s tr a c t v b l t a g eq u a l i t y ， o n eo ft h ei m p o r t a n ti n d e x e so ft h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yo f t h ep o w e rs y s t e m ，m a i n l yd e p e n d so nw h e t h e rr e a c t i v ep o w e rn o wd i s t r i b u t i o ni s r a t i o n a lo rn o t t h i sh a se f f e c tn o to n l yo nt h eq u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g ys u p p l i e dt o u s e r s ，b u ta l s oo nt h es e c u r i t ya n de c o n o m yo fp o w e rs y s t e m r e a s o n a b l ec h o i c e0 f l o c a t i o na n dc a p a c i t yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n o n ec a ne f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h e v o l t a g el e v e lo fp o w e rs y s t e m ，i m p r o v ev 0 1 t a g es t a b n i t yo fp o w e r s y s t e m ，a v o i d1 0 n g d i s t a n c ed e l i v e r yo fal a r g ea m o u n to fr e a c t i v ep o w e r ，r e d u c en e t w o r kl o s sa n dp o w e r g e n e r a t i o nc o s t t h i sp a p e ra n a l y s e sc o m m o nr e a c t i v el o s sa n dc o m m o n l yu s e dr e a c t i v ep o w e r s o u r c e sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i ca n dr e l a t i o nb e t w e e nb a l a n c eo fr e a c t i v ep o w e ra n d v o l t a g es t a b i l i t y t h i s p a p e r a l s on a r r a t e sb a s i c c o n c e p t i o n o f v 0 l t a g e r e g u l a t i o n t h e o r ya n dp e r f o r m a n c eo fv o l t a g er e g u l a t i o n m e t h o d sw i t hg e n e r a t o r ， w i t ht r a n s f o r m e ra n db yr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na r ea n a l y s e di nd e t a i l t h e o r ya n d c h a r a c t e r i s t i co fc o m m o n l yu s e dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r ee x p l a i n e da n d t h e s em e t h o d sa r eu s e dh a r m o n l c a l l yt or e g u l a t ev o l t a g eo fp o w e rs y s t e m r e g a r d i n g t or e a lp o w e rs y s t e m s ，r e a s o n a b l es o l u t i o n sc a b ef o u n da f t e re c o n o m i cc o m p a r i s o n a c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o n p o l er e a c t i v ec o m p e n s a t i o ni n s t a l l so u t d o o rp a r a i l e l c a p a c i t o r s o np o l e s0 f t r a n s m i s s i o nl i n et of u r t h e ri m p r o v ep o w e rf a c t o ro fp o w e rs y s t e ma n dr e d u c e n e t w o r kl o s s ，i s a p p l i e dt o1 0k vp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s c o m p a r e dw i t h d i s p e r s e dc o m p e n s a t i o n a t l o w v o l t a g e s i d eo fp u b l i ct r a n s f o r m e r ，t h i sk i n d0 f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nh a s a d v a n t a g e s s u c ha sc e n t r a l i z e d c o m p e n s a t o r s ，h i g h u t i l i z a t i o nr a t eo ft h ee q u i p e m e n t s ，e a s ym a n a g e m e n ta n dm a i n t e n c a n c e f u r t h e r m o r e ， t h em o m o do v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fl a c k0 fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na tp u b l i c t r a n s f o r m e rl o w v o l t a g es i d ea n dr e d u c e se n o r m o u sr e a c t i v ep o w e rt r a n s m i s s o na l o n e t h el i n e s i nv i e wo fsc h a r a c t e r i s t i c so f1 0 k vd i s t r i b u t i o nl i n e ， s e n s i t i v i t ya n a l y s i s t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nr e a c t i v ec o n l p e n s a t i o nc a l c u l a t i o n f r o map r a c t i c a la n 9 1 e ， c o n t i t u t i o no fo p t i m i z a t i o n ，p o w e rl o s sa n dv 0 1 t a g ed i s t r i b u t i o n ，h a n d l i n go fl o a d s h a p e c o e f f i c i e n ta r ed e s c r i b e d t h ec a l c u l a t i o na n da p p l i c a t i o no f s e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n ta n dd e t e r m i n a t i o no ff i n a ls c h e m eo fr e a c t i v ec o m d e n s a t i o na r ei n t r o d u c e a b s t r a c t i nd e t a i l t h ei m p l e m e n t a t i o no fr e a l t i m er e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fp o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mi sp r e s e n t e da n do p t i m i s t i cp l a n n i n go fr e a c t i v ec o m p e n s a t o r si sr e a l i z e d a n d a c c o r d i n gt o r e a lt i m eo p t i m i z e da n a l y s i s0 fp o w e rn o wo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， s w i c h i n gm e t h o do fr e a c t i v ec o m p e n s a t o r si nt h es y s t e mc a n b ed e t e r m i n e d o p e r a t i o n e x p e n s e so ft h ee q u i p m e n ta r ec o n s i d e r e dt oo p t i m i z et h es y s t e m a t i ce l e c t r i ce n e r g y q u a l i t ya n dt o i i l i n i m i z e p o w e rl o s s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r e s e n t d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，o v e r a l lr e a lt i l em o n i t o r i n gi sc o m b i n e dw i t hl o c a lr e a lt i m e c o m p e n s a t i o n o v e r a l lr e a lt i m eo p t i m i z e dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi su s e di na r e ao f a u t o m a t i cd i s t r i b u t i o nw h i l el o c a lc o m p e n s a t i o ni sa p p l i e di na r e a sw i t h o u ta u t o m a t i c d i s t r i b u t i o n f i n a l l y ，p r o v i n g i sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt or e s u l to f o p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o na n dt h em e t h o di s ： u p p e ra n dl o w e rl i m i t so fv 0 1 t a g ea tl o w v o l t a g e t r a n s f o r m e rs i d ea r eu s e di no p t i m i z a t i o np r o g r a m m es ot h a to p t i m i z e dr e a c t i v ep o w e r n o wo fh i g h v d l t a g et r a n s f o r m e rs i d ec a nb ea t t a i n e d w h e t h e rt h et w os e t t l e dv a l u e s a r er e a s o n a b l eo fn o tc a nb ee x a m i n e db yc h e c k i n gt h ec a l c u l a t e dr e a c t i v ep o w e rn o w k e yw o r d s ：v b l t a g es t a b i l i t y ，r e a c t i v ec o i n p e n s a t i o no np o l e ，r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z i a t i o n ，s e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t 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已经发表或撰写的成 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：瓦广乏。节 日期：砌年月f j 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论文的复印 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 论文。 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： 邓星甲 工免荚 日期：复一订年e 月厂一日 一，一一 曰期：文口莎年占月p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 1 0 k v 配电网无功补偿的必要性 随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增 长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加， 以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分 布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压 水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能 在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。 原电力部颁布的“九五”指标中，要求配电系统供电电压合格率在9 8 以上， 一天中允许电压不合格的时间小于2 8 8m i n ；而“创一流”企业的指标中，要求 配电系统供电电压合格率在9 9 以上，一天中允许电压不合格的时间小于1 4 4 m i n 。 电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系 统无功潮流分布是否合理。这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优 劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配 电网中显得同样的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于 电网容量的增加，对电网无功要求也与日俱增。此外，网络的功率因数和电压的 降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因 此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意 义。 合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压 水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损， 减少发电费用。而且由于我国配电网长期以来无功缺乏，由其造成的网损较大， 因此无功功率补偿是投资少回报高的方案。一般是在配电变压器低压侧进行补偿， 既可降低线路损耗，也能降低配电变压器损耗，电压质量也有较大的改善。 在1 0 k v 配电网采用杆上无功补偿方式，即将户外并联电容器安装在架空线 路的杆塔上，以进一步提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。这种无功补 偿方式与在各公用变压器低压侧分散补偿方式相比，有着补偿装置集中，设备利 用率高，便于管理和维护的优点；而且也能弥补公用变压器低压侧缺少无功补偿 的缺陷，减少了大量无功的沿线传输；此外基本不用占用土地等资源，尤其是在 线路较长( 5 k m 以上) 、功率因数较低( 0 9 以下) 的配电线路上，在负荷侧进行 杆上无功补偿，其效益将相当明显。但如何确定补偿地点和容量，使线损或年支 华南理工大学工程硕士论文 出费用尽可能少，同时又不会显著增加运行的维护工作量，达到安全可靠运行目 的是一个有意义的课题。 1 2 课题背景及研究现状 作为改善电压质量和降低网损的有效手段之一，并联电容补偿已广泛应用于 电力系统的不同电压等级。就1 0kv 线路而言，无功补偿可分散或集中安装。后 者易于维护，前者则补偿效果更好。两者的合理组合使用，理论上可达到最为理 想的补偿度。在无功补偿设备选址和最佳补偿量的确定方面，多年来已有大量的 文献发表，其中不少已有效地应用于生产实际。通常构成的经济性目标函数是网 损降低的经济收益与设备的等效成本之间差额的最大化。约束条件则是不同运行 方式下的电压约束、支路约束及无功约束等。由于采用的数值求解方法不同，计 及的约束条件也不尽一致。将各点补偿容量近似作为连续变量的处理方法，可利 用成熟的数学规划方法，得到理论上的最优解，诸如各种基于连续变量的规划方 法和由此衍生的灵敏度法。为考虑更多的实际因素，启发式方法也有所应用。值 得一提的是，不论何种算法，都需人工干预才能最终确定实际安装地点、容量及 标准化产品。 在1 0 k v 配电线路安装并联电容器可以改善电压分布，提高功率因数，降低 线损，且简便易行，得到了普遍应用。目前，大部分电容器采取的是长期接入， 即便对用电高峰季节的低谷时段，也会引起无功过剩、电压升高，出现诸多潜在 的不利因素。因此，在配电系统中按线路需要自动投切电容器，实现无功优化配 置十分必要。开发自动化程度高的柱上无功补偿装置，免维护且不占地面空间， 安装在线路中，作为变电站无功集中补偿的补充。在1 0 k v 配电网采用柱上无功补 偿方式，即将户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上，以进一步提高配电网功 率因数，达到降损升压的目的。 文献【1 3 】根据无功功率不能远距离传输，电压，无功是一个局部问题。结 合电力系统分区与电压稳定灵敏度分析确定无功电源最佳配置地点的方法，将电 力系统分区的思想应用于电力系统无功配置，利用“电气距离”把电力系统分成 几个耦合强的小区。该方法使无功电源得到合理的配置，无功补偿分区域平衡。 经过仿真计算比较，该方法可找到电力系统无功电源的最佳配置地点，并对提高 电力系统的电压稳定性有很好的效果。 文献【4 、5 】针对变电站集中补偿和配电变压器低压侧分散补偿存在的不足， 提出在1 0 k v 配电网中采用柱上无功自动补偿装置，达到提高功率因数、降低线损、 改善电压质量的目的。从工程实际出发，确定了总体设计方案和元器件选取原则， 设计了专用控制器，研制出1 0 k v 柱上无功自动补偿装置。该装置将一次和二次元 2 第一章绪论 件集成于户外箱体内，结构简单、性能稳定、成本低廉、安装维护方便。采用电 压无功综合控制策略，以电压无功平面内的七区图作为投切判据，避免了投切振 荡现象。 文献【6 】介绍了电力系统无功补偿及谐波抑制的方法，提出了将有源滤波与 无源滤波技术相结合的综合补偿方案，可以降低系统成本，改善补偿性能。 文献【7 】对三相t s c ( 晶闸管投切电容器) 无功补偿装置的保护系统进行了 研究，较详细地分析了可能发生的故障原因、现象，进行了理论计算，提出了保 护措旌，为保护系统的设计提供了一定的依据。样机试验证明，该保护系统较全 面地考虑了各种故障保护，简单、实用、可靠，其性能达到设计及工程要求。 文献【8 1 0 】文章对配电系统的4 种无功补偿方式进行了技术经济比较，分析 他们各自的优缺点，以寻求一种配电网无功补偿的最优方案。最后对配电网无功 补偿工作中遇到的问题提出自己的看法。 文献【 】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。提出配电系统4 种无功补偿方式，并分析了它们 各自的优缺点。 文献【1 2 】对配电网络常用的3 种无功补偿方式进行了分析，并针对电力短 缺状况下，实施无功补偿所带来的销售电量增加以及减少购电费支出情况进行了 分析。同时，提出了关于无功补偿工程的效益评估方法，是计算无功补偿降损效 益及无功补偿经济效益评估的简单、有效的算法，对配电网无功补偿工作有积极 的促进作用。 文献【1 3 1 5 】针对电力系统1 0kv 配电线路的具体特点，采用灵敏度分析 技术进行无功补偿计算。从实际应用角度，描述了优化问题的构成、电能损耗和 电压分布的计算，以及对负荷形状系数的处理；详细介绍了灵敏度系数的计算、 应用和无功补偿最终方案的确定；在对几十条实际1 0kv 线路计算的基础上进行 了说明、分析和讨论；利用经济性目标函数对节点无功注入的灵敏度，对各可选 点的补偿效果进行预估和排序，然后仅对有限的方案进行准确试算；在计及电容 器实际容量、组别的基础上完成1 0kv 配电线路电容器定位及最佳补偿量的确 定。 文献【1 6 】针对地区配电网络实旌无功补偿的实际需要，通过近期组织进行 的配网低压无功补偿装置的安装与运行调研，为今后低压电网开展无功补偿、更 好地运用先进的无功补偿技术提供了一些经验与实际运行建议。 文献【仃】分析了无功补偿的原理，指出电力系统无功动态准确补偿是在对 系统参数准确测量的基础之上建立的。传统的单片机由于受运算速度和精度的限 制，难以完成电力系统对精确性和实时性的要求。设计了一种带电力监测的无功 动态补偿装置，采用ti 公司的tms3 2 0l f2 4 0 7 作为总控制器，克服传统的 3 华南理工大学工程硕士论文 单片机计算速度慢、精度低的缺陷。并能实时监测电网中的各项指标，在满足无 功补偿的前提下，防止误动作，从而可有效避免重大事故的发生。 文献【1 8 】对无功补偿的基本原理、无功负荷与电压及线损的关系、无功补 偿的技术经济效益分析、无功功率电源的最优分布、无功功率负荷的最优补偿等 全面系统地进行分析研究，在此基础上对六安市城网的无功损耗现状进行分析， 选用智能型低压无功电源，在六安市城网成功地进行无功优化的实践，取得了预 期的技术经济效益，理论上投资回收期约半年。 文献【1 9 、2 0 】针对柱上式自动投切高压并联电容器装置，提出了在结构、 电器配置、保护、运行等方面的技术问题，以促进配电线路无功补偿技术的推广 应用。 文献【2 1 】论述了采用柱上并联电容进行无功补偿，与其他措旌相比，柱上 并联电容无功补偿不但简单可靠，而且设备投资少，对提高电力系统的功率因数， 降低线路损耗有重要的作用。 综上所述在广大科学工作者和电力系统技术工作人员的努力下，配电网的无 功补偿已经取得了一系列的成果。但由于电力系统规模不断扩大，电网结构越来 越复杂，负荷种类日益增多，无功和有功的损耗也越来越大。由于目前我国普遍 采用的配电变压器低压侧分散补偿的补偿度有限，不能进一步提高配电线路的功 率因数，所以从工程实际出发，提出1 0 k v 配电网杆上无功补偿方式及其年支出费 用为最小的优化模型，以确定树状配电网并联电容器的最佳安装位置及相应的最 佳安装容量。考虑到传统补偿方式的不足之处，提出了一种基于全局优化的分布 式无功补偿方案。 1 3 本研究课题的来源 本人在攻读工程硕士研究生期间，作为实际岗位上的电力系统基层工作人 员，针对目前1 0 k v 配电网存在的问题，进行了深入的研究；申请立项“1 0 k v 配电 网无功补偿方案的经济效益比较”为广电集团公司的科研项目并与华南理工大学 合作开展研究。 项目研究首先分析了常见的无功损耗与常用的无功电源以及它们的无功补 偿特性，阐释了无功功率平衡与电压稳定的基本关系；然后阐述了电压调整的基 本概念，根据中枢点电压电压调整的基本原理，就发电机调压、变压器调压、无 功功率补偿调压等各自的原理、特性作了详细的分析。阐释了无功补偿调压的常 用方式的原理及特性，根据各自的优缺点综合运用进行电力系统综合调压。对于 实际电力系统的调压问题，需要根据具体的情况对可能采用的措旌进行经济比较 后，才能找出合理的解决方案。 4 第一章绪论 针对电力系统1 0 k v 配电线路的具体特点，采用灵敏度分析技术进行无功补 偿计算。从实际应用角度，描述了优化问题的构成、电能损耗和电压分布的计算， 以及对负荷形状系数的处理；详细介绍了灵敏度系数的计算、应用和无功补偿最 终方案的确定；在对几十条实际1 0 k v 线路计算的基础上进行了说明、分析和讨 论；利用经济性目标函数对节点无功注入的灵敏度，对各可选点的补偿效果进行 预估和排序，然后仅对有限的方案进行准确试算；在计及电容器实际容量、组别 的基础上完成1 0 k v 配电线路电容器定位及最佳补偿量的确定。 根据杆上的无功补偿的特点，提出的实现配电系统分布式实时无功补偿解决 方案，实现了配电系统无功补偿设备的最优规划及布置；并可以根据配电系统潮 流实时优化分析，确定系统中无功补偿设备的投切策略；综合考虑设备的运行费 用，使配电系统电能质量实时最优，损耗最小，达到最佳降损节能的效果。根据 目前配电自动化的特点，采用全局实时监控与就地实时补偿相结合的技术，在实 现了配电自动化的核心区域，采用全局实时优化监控技术，而对于没有实现配电 自动化的外围区域的负荷则采用无功就地实时补偿技术。 1 4 本文的主要研究工作 本人参与了1 0 k v 配电网的无功优化分析及软件开发，针对实际工作中1 0 k v 配电网遇到的问题，作了深入研究，在无功优化的过程中对常用的几种无功补偿 方式进行了分析比较最后得出1 0 k v 配电网采用柱上无功补偿的方案最为经济有 效；在对现场常用的几种动态无功补偿装置进行了运行分析比较后，并给出实际 现场无功补偿的几点建议和结论。 本文的章节安排和研究内容如下： 第一章，概述了1 0 k v 配电网无功补偿的必要性，及结合实际要求该课题的 研究方向，以及该课题的背景、来源以及研究内容。 第二章，概述了电力系统无功功率与电压调整的基本概念及原理。首先分析 了常见的无功损耗与常用的无功电源以及它们的无功补偿特性，阐释了无功功率 平衡与电压稳定的基本关系；然后阐述了电压调整的基本概念，根据中枢点电压 电压调整的基本原理，就发电机调压、变压器调压、无功功率补偿调压等各自的 原理、特性作了详细的分析。 第三章，阐述了无功补偿的原理和作用，对常见的四种无功补偿方式：变电 站集中补偿、低压集中补偿、杆上无功补偿和用户终端分散补偿，作了详尽分析 比较得出针对1 0 k v 配电网杆上无功补偿最合适，并给出了杆上无功补偿的几点建 议。并针对电力短缺状况下，实施无功补偿所带来的销售电量增加以及减少购电 费支出情况进行了分析。同时，提出了关于无功补偿工程的效益评估方法，是计 5 华南理工大学工程硕士论文 算无功补偿降损效益及无功补偿经济效益评估的简单、有效的算法，对配电网无 功补偿工作有积极的促进作用。最后对直接的经济效益进行了估算。 第四章，阐述了配电网无功功率的管理、规划、以及调度和控制，采用经典 的网损等微增率的优化方法确定无功补偿的分布和容量。详尽介绍了等网损微增 率的概念以及数学模型，并针对不同的电力系统接线方式进行了等网损微增率的 优化。 第五章，本章首先介绍了无功补偿的新技术：基于柔性交流输电系统 ( f a c t s ) 无功补偿技术、基于电力电子逆变技术的无功补偿技术、信号检测技 术、装置自身谐波滤除技术；然后然后就现场常用的几种动态无功补偿装置进行 了运行分析比较。并给出实际现场无功补偿的几点建议和结论。 第六章，首先针对电力系统1 0 k v 配电线路的具体特点，采用灵敏度分析技 术进行无功补偿计算。从实际应用角度，描述了优化问题的构成、电能损耗和电 压分布的计算，以及对负荷形状系数的处理：详细介绍了灵敏度系数的计算、应 用和无功补偿最终方案的确定；然后其次根据杆上的无功补偿的特点，提出的实 现配电系统分布式实时无功补偿解决方案，实现了配电系统无功补偿设备的最优 规划及布置：并可以根据配电系统潮流实时优化分析，确定系统中无功补偿设备 的投切策略；综合考虑设备的运行费用，使配电系统电能质量实时最优，损耗最 小，达到最佳降损节能的效果。 结论，总结了全文的研究成果，提出了目前该课题研究存在的问题，对将来 的研究方向进行了展望。 6 第二章无功功率与电压调节 2 1 引言 第二章无功功率与电压调节 电压是电能的主要质量指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行 具有重大影响，而无功功率又是影响电压质量的一个重要因素。随着电力系统联 网容量的增大和输电电压的提高，输电功率变化和高压线路的投切都将引起很大 的无功功率变化，系统对无功功率和电压的调节和控制能力的要求也越来越高； 另一方面为了充分利用电网设别，现代的电网越来越接近于其极限运行状态，使 得电网缺乏灵活的调节能力，特别是在负荷日益增长的严峻形势，电网异常和事 故情况下，电网更加脆弱。 电力系统经济运行是在保证区域电网( 1 1 0 k v 以上) 和地区电网( 1 1 0 k v 以下的 城区网、农网和企业网1 的安全运行和在满足供电量和保证供电质量的基础上，充 分利用电网中现有输( 配) 变电设备，通过优选变压器及电力线路经济运行方式和 负载的经济调配及变压器与供电线路运行位置的优化组合、无功补偿及其优化等 技术措施，从而最大限度地降低变压器与供电线路的有功损耗和无功消耗，使电 网经济运行达到科学性、系统性、实用性和效益性。 由于大量采用感应电动机等电感性用电设备；感性用电设备配套不合适和使 用不合理：采用日光灯、汞灯照明时，没有配备电容器；变电设备的负载率和年 利用小时数过低，使得功率因数大大降低。无功功率就地补偿的原则是对大容量、 运行时间长、供电线路长的电动机等用电负荷应实行无功就地补偿。实行无功就 地补偿，可以减少发电机送出的无功功率和通过线路及变压器的无功功率，所以 也将减少线路和变压器中的有功功率和电能损耗，提高用电变压器和线路的利用 率。提高功率因数，无论对供电企业还是用户来说都有好处，具体表现在：( 1 ) 减少供电线路的损失；( 2 ) 减少线路电压损失，提高电压质量；( 3 ) 提高发、供、 用电设备的使用效率；( 4 ) 减少企业电费支出。 提高功率因数包括提高自然功率因数和人工部长无功功率。自然功率因数是 在没有任何补偿情况下，用电设备的功率因数。提高自然功率因数的方法：合 理选择异步电动机；避免电力变压器轻载运行；合理安排和调整工艺流程； 在生产工艺条件允许的情况下，采用同步电动机代替异步电动机。( 2 ) 采用人 工补偿无功功率。装设无功补偿装置。常用的无功补偿装置有并联电容补偿，同 步补偿器，电力电容器成套补偿装置，静态无功补偿装置等。 7 华南理工大学工程硕士论文 2 2 电力系统的无功功率平衡 2 2 1 概述 电力系统中既有功功率电源，又有无功功率电源，其中无功功率为电力网络 及各种电力设备提供励磁。系统内主要需要感性无功功率，它为变压器和感应电 动机提供了励磁电流。在电力网络中，线路中需要的感性无功功率为串联电抗吸 收的无功和并联电容器发出的无功之间的差额，如果线路末端所接的负荷使线路 充电功率和感抗吸收的无功功率平衡，则这一负荷就称为自然功率负荷。输电线 路的自然功率负荷的标么值大约为b ，x 。如果采用电缆，其并联电容相对大，串 联电感相对小，因此，其自然功率负荷比架空输电线的自然功率负荷要大，然而 这一数值超过了电缆的热稳定极限。架空线路的自然功率负荷与系统的电压有关， 电压越高，自然功率负荷越大。传输系统的无功补偿取决负荷大小及功率因数大 小。若输电线处于空载状态，则线路上无功只有充电功率，这种情况下，如不设 置补偿设备，将引起电压的显著提高。 国家规定高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用 户，功率因数0 9 0 以上：其它1 0 0 k 、，a 及以上电力用户和大中型电力排灌站， 功率因数为o 8 5 以上；趸售和农业用电，功率因数为0 8 0 。超过或低于以上标 准的，按规定比例减或增应收电费总额。 2 2 2 无功功率负荷和无功功率损耗 1 、无功功率负荷 异步电动机在电力系统负荷( 特别是无功负荷) 中占的比重很大。系统无功 负荷的电压特性主要由异步电动机决定。异步电动机的简化等值电路如图2 - 1 所 示，它消耗的无功功率为 q m 咄也= 导x 。 ( 2 1 ) 其中，如为励磁功率，它同电压平方成正比，实际上，当电压较高时，由于饱和 影响，励磁电抗x 的数值还有所下降，因此，励磁功率q 卅随电压变化的曲线稍 高于二次曲线；如为漏抗x 。中的无功损耗，如果负载功率不变，则= ，2 尺( 1 一s ) ，s = 常熟，当电压降低时，转差将要增大，定子电流随之增大，相应地，在漏抗中的 无功损耗如也要增大。综合这两部分无功功率的变化特点，可得图2 2 所示的曲 8 第二章无功功率与电压调节 线，其中口为电动机的实际负荷同它的额定负荷之比，称为电动机的受载系数。 v 图2 - 1 异步电动机的简化等值电路图2 - 2 异步电动机的无功功率与端电压的关系 f i 9 2 1t h ec i r c u i to fa s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o rf i 9 2 2t h ef e i a t i o nb e t w e e nv o l t a g ea n d r e a a t i v ep o w e ro fe l e c t r o m o t o r 由图2 - 2 可见，在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。 当电压明显低于额定值时，无功功率主要由漏抗中的无功损耗决定，因此，随电 压下降反而具有上升的性质。 2 、变压器的无功损耗 变压器的无功损耗q 。，包括励磁损耗q 0 和漏抗中的损耗鲂。 q 旷蛾瑚r 即2 驴等”蒜c 2 c 绷， 励磁功率大致与电压平方成正比。当通过变压器的视在功率不变时，漏抗中损耗 的无功功率与电压平方成反比。因此，变压器的无功损耗电压特性也与异步电动 机的相似。 变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。假定一台变压 器的空载电流l o = 2 5 ，短路电压v s = 1 0 5 ，由式( 2 2 ) 可知，在额定满载 下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的1 3 。如果从电源到用户需要经过好 几级变压，则变压器中无功损耗的数值是相当可观的。 3 、输电线路的无功损耗 输电线路用形等值电路表示如图2 - 3 所示，线路串联电抗中的无功功率损 耗吼与所通过的电流的平方成正比，即 9 华南理工大学工程硕士论文 q t = ! ；垒王x = ! 王i 垒王x 线路电容的充电功率与电压平方成正比，当作无功损耗时应取负号。 锄= 一罢嘶2 + 孵) b 2 为n 型电路中的等值电纳。线路的无功总损耗为 慨圳。= 等等x 一扣2 州， 3 ， 图2 - 3 输电线路的型等值电路 f 1 9 2 3 i h e c l r c u l to ft r a n s m l s s l o nl i n e 3 5 k v 及以下的架空线路的充电功率甚小，一般说，这种线路都是消耗无功 功率的。1 1 0 k v 及以上的架空线路当传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率将 大于电纳中产生的无功功率，线路成为无功负载；当传输的功率较小( 小于自然 功率) 时，电纳中产生的无功功率，除了低偿电抗中底消耗以外，还有多余，这 时线路就为无功电源。 2 2 3 无功功率电源 电力系统的无功功率电源，除了发电机外，还有同步调相机、静止电容器及 静止补偿器。 1 、发电机 发电机既是唯一的有功功率电源，又是最基本底无功功率电源。发电机在额 定状态下运行时，可发出无功功率 1 0 第二章无功功率与电压调节 q g n = s g n s i n 币n = p g n l g p n ( 2 4 ) 式中，s g n 、p g n 、币n 分别为发电机的额定视在功率，额定有功功率和功率因数 角。 当系统无功电源不足，而有功备用容量较充裕时，可利用靠近负荷中心的发 电机降低功率因数，使之在低功率因数下运行，从而多发出无功功率以提高电力 网的电压水平，但是发电机的运行点不应越出p q 极限曲线的范围。 2 、同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给 感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时，它从系 统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。由于实际运行的需要 和对稳定性的要求，欠励磁最大容量只有过励磁容量的( 5 0 6 5 ) 。装有自 动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出( 或吸 取) 的无功功率，进行电压调节。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下， 还能调整系统的电压，有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械， 运行维护比较复杂。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的( 1 5 5 ) ，容量越小，百分值越大。小容量的调相机每k v a 容量的投资费用也较大。 故同步调相机宜于大容量集中使用，容量小于5 m v a 的一般不装设。在我国，同 步调相机常安装在枢纽变电所，以便平滑调节电压和提高系统稳定性。 3 、静电电容器 静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所目线上。它供给的无功功率 q c 值与所在节点的电压v 的平方成正比，即 q c = v 2 x c 式中，c = 1 加c 为静电电容器的容抗。 当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减小。因此，当系统发生故障 或由于其他原因电压下降时，电容器武功输出的减少将导致电压继续下降。换言 之，电容器的无功功率调节性能比较差。 静电电容器的装设容量可大可小，而且既可集中使用，又可分散装设来就地 供应无功功率，以降低网络的电能损耗。电容器每单位容量的投资费用较小且与 总容量的大小无关，运行时功率损耗亦较小，约为额定容量的( o 3 o 5 ) 。 华南理工大学工程硕士论文 此外由于它没有旋转部件，维护也比较方便。为了在运行中调节电容器的功率， 可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除，可控硅投切电容 器型补偿装置就可以实现补偿功率的不连续调节。 4 、静止补偿器 静止补偿器由静电电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗 器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够地改变 输出( 或吸收) 无功功率的静止补偿器。 各类静止补偿器在正常工作范围内的无功功率电压静态特性可以近似地用线 性方程表示，即 q = q o + k ( v v n ) ( 2 - 5 ) 式中，v 和v n 分别为实际电压和额定电压，q o 为v = v n 时补偿器的无功功率， k 为静态特性的斜率。由于k 值很大，近似计算中也可把静止补偿器当作恒电压 的无功功率电源，其电压静态特性见图2 4 。 q d v 图2 4静j 卜补偿器的无功功率电压静态特性 f i 9 2 - 4t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro fs v c 电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态无功补 偿的需要。与同步调相机相比较，运行维护简单，功率损耗较小，能作到分相补 偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击负荷也有较强的适应性。补偿器的滤波电 路能排除高次谐波的干扰。7 0 年代以来，静止补偿器在国外己被大量使用，在我 国电力系统中也将日益广泛的应用。 2 2 4 无功功率平衡 电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功电源可能发出的无功功 1 2 第二章无功功率与电压调节 率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。为了保证运行 可靠性和适应无功负荷的增长，系统还必须配备一定的无功备用能量。令q g c 为 电源供应的无功功率之和，q l d 为无功负荷之和，q l 为网络无功功率损耗之和， q 。为无功功率备用，则系统中无功功率平衡的关系式为 q g c q l d q l = q r e s ( 2 6 ) q 。 0 表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；如果q 。 o 表示系统中无 功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。 系统无功电源的总出力q g c 包括发电机的无功功率q g ：和各种无功补偿设 备的无功功率q c z ，即 q g c = q gz + q c =( 2 7 ) 一般要求发电机接近于额定功率因数运行，故可按额定功率因数计算它所发出的 无功功率。此时如系统的无功功率能够平衡，则发电机就保持有一定的无功备用， 这是因为发电机的有功功率是留有备用的。调相机和静电电容器等无功补偿装置 按额定容量来计算其无功功率。 总无功负荷q l d 按负荷的有功功率和功率因数计算。为了减少输送无功功率 引起的网损，我国现行规程规定，以3 5 k v 及以上电压等级直接供电的工业负荷， 功率因数不得低于o 9 0 ，对其他负荷，功率因数不得低于o 8 5 。但实际上有些用 户的功率因数往往达不到这个标准。 网络的总无功负荷q l 包括变压器的无功损耗q l t z 、线路电抗的无功损耗 q l z 和线路电纳的无功功率q