（电机与电器专业论文）电力系统可控电抗器无功功率补偿技术.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 c o n t r o l l a b l er e a c t a n c er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u eo f p o w e rs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fc i v i le c o n o m ya n dt h ep r o g r e s s i v e l yd e m a n do f e l e c t r i c i t y , t h ee c o n o m yr u n n i n go fp o w e rs u p p l ys y s t e mi sar e a lp r o b l e mt h a tc a nn o tb e i g n o r e d h o wt od e c r e a s et h ep o w e rn e t w o r kl o s s ，i m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n d k e e pt h ee c o n o m i cw o r k i n go f p o w e rs u p p l ys y s t e mi st h ep r o b l e mw e h a v et of a c e ，i ti sa l s o t h em a i ns t u d yd i r e c t i o no f p o w e rs u p p l ys y s t e m w h e nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi sr u n n i n g ，t h er e a c t i v ep o w e rw i l li n c r e a s eg r e a t l y b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fi n d u c t i v el o a d i nr e c e n ty e a r s ，al o to fd e p a r t m e n t sh a v et a k e n e f f e c t i v em e a s u r e st os p r e a dt h eu s i n go fv a r i o u sn e w l yr e c t i f y i n ge q u i p m e n t s ，t h e s e m e a s u r e sh a v ed e c r e a s e dt h ep o w e rl o s s ，b u ti nt h em e a n t i m ec a u s e do t h e r sp r o b l e m ss u c ha s p o w e rf a c t o rd e c r e a s e ，v o l t a g ef l u c t u a t eo ra b r u p tc h a n g e ，t h r e ep h a s eu n b a l a n c e a n dh a r m o n i c i n t e r f e r e n c ee t e 硒ar e s u l t t h ee f f i c i e n c yo ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mc a nn o tb ew e l lu s e d ，t h e a d d i t i o n a lp o w e rl o s so fe q u i p m e n t sw i l li n c r e a s e u n d o u b t e d l y , i ti si m p e r a t i v et od om o r e r e s e a r c hw o r ki nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l d ，w eh a v eag r e a td i s a d v a n t a g en o t o n l yi np o w e rf a c t o ro ft h ep o w e rn e t w o r kb u ta l s oi nc o m p e n s a t i o nd e e p n e s s ，s oi t i sv e r y u r g e n tt os p r e a dt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e f o rt h ea c t u a lu s e dm c r , t h e ys h o u l db ea u t o m a t i cc o n t r o l l a b l e t h ea r t i c l ed e s i g n e da c o n t r o l l e rw h i c hu s eas i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r , a n da l s od e s i g n e dt h em e a s u l c i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t , t r i g g e rc i r c u i t ，k e y b o a r dd i s p l a yc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h em e a s u r i n gc i r c u i t i st o m e a s u r et h es e c o n d a r yv o l t a g e sa n dc u r r e n t so f t r a n s f o r m e ra n dc a p t u r et h es y n c h r o n o u ss i g n a l ：t h ec o n t r o l 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 c i r c u i ti st oc a l c u l a t et h ec o n t r o lo u t p u t sw i t ht h em e a s u r e ds i g n a la n dt h ei n p u tp a r a m e t e ra c c o r d i n gt h e r e l e v a n tc o n t r o ls c h e m e ：t h et r i g g e rc i r c u i tp r o d u c t st h ep u l s e st ot r i g g e rt h et h y r i s t o r sw i t ht h ec o n t r o l s c h e m e ：t h et r i g g e rc i r c u i tp r o d u c t st h ep u l s e st ot r i g g e rt h et h y r i s t o r sw i t ht h ec o n t r o lo u t p u t ：i l g c rc a r l i n p u tc o n t r o li n s t r u c t i o nw i t ht h ek e y b o a r d ，a n dt h ed i s p l a yc i r c u i tc a r ls h o ws t a t e so ft h es y s t e m i m u i t i o n i s t i c l y ：c o m m u n i c a t i n g c i r c u i tp r o v i d e st h ed a t at oc o n t r o ls t a t i o n ，t h i sc a nr e a l i z et h e c o n c e n 打a t i v ec o n t r o l 。 t h ea u t h o ra l s om a k e sal o to fe x p e r i m e n t st o t e s tt h ec o m p e n s a t i o nm o d e l t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sa r eq u i t ea c c o r d a n tw i t ht h ea n a l y s i si nt h ea r t i c l e ，a n ds h o w st h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h ec o m p e n s a t i o nt h e o r yo f t h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rl o a d ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，h a r m o n i o u sw a v e s ，t h y r i s t o r c o n t r o l l a b l er e a c t o r i l l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：鲤日期：丝z ：主! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，u p = 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：他日期：趔 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源 随国民经济的飞速发展，用电量的e l 益增加，电网的经济运行已是一个不可忽视的 问题。因此，如何降低网损，提高电力系统的输电效率，保证电力系统的经济运行是电 力系统面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。 电力系统在运行过程中，由于感性负载的存在，使电网无功功率大量增加。另外， 近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，他们在减少能 量耗损的同时，也带来了功率因数下降，电压波动、闪变、三相不平衡以及谐波干扰等 问题。其最终结果都是使配电设备的使用效能得不到充分发挥，设备的附加功耗增加。 因此，进行有效的无功功率补偿，提高功率因数是电网及电力系统安全经济运行的重要 保证。毫无疑问，无功功率补偿的研究势在必行。 1 2 课题的目的与意义 经济的发展，使电力系统的用电规模越来越大，用户对电能质量也有了更高的要求， 如不能在正常电压水平下，保证无功功率的平衡，系统的电压质量就不能保证。而负荷 的持续增长，使系统对无功功率的需求不断增加，同时系统中还应保持一定的无功功率 备用，可是目前许多地区存在着无功不足的问题，严重影响系统的电压水平，这就使无 功补偿问题显得更加突出和紧迫。无功补偿在改善电压的同时还能降低系统的网损，减 少系统的电能损失，这使得研究无功补偿问题的意义更加重大。我国与世界上发达国家 相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无 功补偿技术尤为迫切。 本课题研究的是利用可控电抗器进行无功功率补偿，涉及到无功功率的补偿机理及 可控晶闸管特性分析和谐波抑制的措施，并对整个控制系统的硬件控制进行了研究。在 课题的实施中，涉入大量先进专业知识，并随着课题的完成获取宝贵的实际经验。 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 1 3 国内外现状及发展 早期的无功补偿设备有并联电容器，调相机和同步发电机等。调相机和同步发电机 同属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且不适用于太大或太小的无功补偿；固定电 容补偿方式是电网获取无功功率提高功率因数的有效手段，具有造价低，便于分散安装 的特点。但是，由于电容量的固定，给系统提供的无功只能是有级的，难免出现欠补偿 和过补偿的现象，为使补偿更接近实际，势必加大级数，这自然使系统的复杂程度大大 增加了。可见，这些早期无功补偿设备已经不能适应电力系统发展的需要“1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的进一步加深，出现了一种静止无功补偿技术。这 种技术经过2 0 多年的发展，经历了一个不断创新，逐步发展完善的过程。所谓静止无 功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器配合使用。使其具有吸收和发出无功 电流的能力用于提高电力系统的功率因数、稳定系统电压。动态连续跟踪系统所需无功， 以使电网时刻处于电力系统要求的功率因数运行状态。 目前，这种静止开关主要分为两种。即断路器和电力电子开关。但是用断路器作为 接触器，开关速度较慢，约为l o 3 0 s ，不能快速跟踪负载无功功率的瞬时变化。而且 由于电容器的性质所致投切电容时常会带来严重的冲击涌流和操作过电压，势必造成接 触点烧焊，补偿电容器内部击穿的后果嘲。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的大量应用，交流无触点开关s c r 、 g t r 、g t o 等作为投切开关，速度可以提高5 0 0 倍，甚至更高。例如，m o s 控制晶闸 管( m c t ) 以及静电感应晶体管( s i t ) 等大功率半导体开关器件，最快的可小于o 1 l i s ， 相应的开关电路中开关的工作频率最低的s c r 也可在几百赫，最快的( p m o s f e t ) 其工作频率可达到几百千赫以上。而且具有不同等级的额定电压和额定电流，满足电力 系统的实际要求。其中，最大的额定工作电流可达6 0 0 0 a 以上电压可达8 k v 以上。 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，简称s v c ) ，是灵活交流输电系统f a c t s ( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) 设备中较早获得实际应用的一种。从七十年代初发 展到现在，已经得到了广泛应用。如瑞士b b c 公司1 9 7 8 年生产的加拿大劳伦塔台变电 站7 3 5 k v 静补装置，美国c h e s t e rm a i n e 变电站的联络线s v c ，以及澳大利亚k e m p s c r c e , k s 安装使用的大型s v c ，等等。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 目前所指的静止补偿装置，一般是指专用晶闸管的无功补偿装置( s v c ) 。1 。 1 3 1 传统的静止无功补偿器( s v c ) 静止无功补偿器的比较典型的代表为晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切的电 容器( t s c ) 这两种静止无功补偿装置。 ( 1 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 静止无功补偿装置。 t c r 补偿器原理图如图1 1 所示。晶闸管的触发角从9 0 。1 8 0 0 连续调节，电抗器的 电流相应地从额定到零连续变化。因此通过调整触发角的大小来改变补偿器所吸收的无 功功率，达到迅速平滑地调控无功功率的目的。但是单独的t c r 只能吸收无功功率， 不能发出无功功率，为了解决这一问题，通常将并联电容器与t c r 配合使用。根据投 切电容器的元件不同，又可分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器 ( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种t c r 型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国 江门变电站采用的静止无功补偿器是瑞士b b c 公司生产的t c r + f c + m s c 型的s v c ， 其控制范围为1 2 0 m v a r “1 。由于固定电容器的t c r + f c 型补偿装置在补偿范围从感性 范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收 较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。 t s c + m s c 型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽 量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况变化阐。 玖t ) 图1 1t c r 补偿器原理图 f i g 1 1p r i n c i p l e dc h a l to f c o m p e n s a b l ed e v i c eo f t c r ( 2 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 静止无功补偿装置 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 基本原理如图1 2 所示。为了防止电容器充电涌流，电容器只能在电压超前9 0 。 时投入，不能用触发角调节电流，所以两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从 电网中断开。串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。在 工程中实际一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切，这样可根据电网的无功需 求投切电容器“。所以t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器， 虽然不能连续调节无功，但运行时不产生谐波而且损耗较小。瑞典某钢厂两台1 0 0 t 电 弧炉，装有6 0 m v a r 的t s c 后，有效的使用1 3 0 k v 电网的电压保持在1 5 的波动范围0 1 。 运行实践证明此装置具有较快的反映速度( 约为1 0 m s ) ，体积小，重量轻，对三相不平 衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但t s c 对于抑制冲击负 荷引起电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以t s c 装 置一般与电感相并联，其典型设备是t s c + t c r 补偿器，这种补偿器均采用三角形连接， 以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电罔，同时又设有5 次谐 波滤波器，大大减小了谐波嘲。我国平顶山至武汉凤凰山5 0 0 k v 变电站引用进口的无功 补偿设备就是t s c + t c r 型埘。 矿( t ) 图1 2 t s c 补偿器原理图 f i g 1 2p r i n c i p l e dc h a r to f c o m p e n s a b l ed e v i c eo f t s c 1 3 2 静止无功发生器( s v 6 ) 随着电力电子技术的进一步发展，一种更为先进的静止型无功补偿装置静止无 功发生器( s v g ) 出现了。其基本原理如图1 3 所示，是通过将自换相桥式变流器直接并 联到电网上或者通过电抗器并联到电网上来实现无功补偿的。当逆变器脉宽恒定时，调 4 沈阳工业大学硕士学位论文 节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角艿，可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电 压坼，同时调节夹角j 和逆变器脉宽，即可以在保持u ，恒定的情况下，发出或吸收所 需的无功功率。与s v c 装置相比，s v g 装置不需要大容量的电容器等储能元件，只需 要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本；而且调节速度 更快，运行范围宽：在采用桥式整流电路的多重化技术或p w m 技术后，则可以大大减 少补偿电流中的谐波含量。所以s v g 具有非常优越的性能，是目前无功补偿装置的主 要发展方向。 1 9 8 0 年日本研制第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式a s v g 之后，经过1 0 多年的发 展，a s v g 的容量不断增大。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国又相继研制出8 0 m v a r 和l o o m v a r 的a s v g 。1 9 9 5 年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台a s v g ，其容量为 3 0 0 k v a r ，开辟了我国研制a s v g 补偿设备的先河“。 2 塞12 奉；2 岽 l j y 、4 r 、一 ，r 、4 、厂、 、z 术1 2 术sz 去 7 c 图1 3 电压型s v g 补偿器主电路原理图 f i g 1 3p d n c i p | e dc h a r to f m a i nc i r c u i to f c o m p e n s a b l ed e v i c eo f v i l t a i cs v g 1 3 3 电力有源滤波器( a p f ) 随着上世纪8 0 年代三相电路瞬时无功功率理论的提出，出现了一种用于动态抑制 谐波、补偿无功的新型电力电子装置电力有源滤波器( a p f ) 。其主电路原理图如图 1 - 4 所示，实际上是采用了p 硼技术的逆变器，在其直流侧有一个维持直流电压的电容 器，经过逆变器产生交流电与系统相连。电容上的电压由逆变器从系统取得。a p f 可在 消去谐波的同时补偿无功，可实现实时无功补偿。其优点是对频率和大小都变化的谐波 以及变化的无功功率同时进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应：可连续调节且响 应迅速，无功补偿时不需储能元件；即使补偿对象电流过大，也不会发生过载，并能正 5 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 常发挥补偿作用：不会发生谐振问题；能跟踪电网频率的变化；既可对一个谐波和无功 源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿“。a p f 是2 0 世纪8 0 年代以来电力电 子技术应用于电力系统进行谐波抑制和无功补偿的一个研究热点，但目前仍存在如：实 现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、在实现上仍需l c 滤波器的 辅助等问题。 u a l i b i j c 弋z 本；2 本s2 杰 7 弋2 本s z 本； l 2 杰 7 l 7 图1 4 电力有源滤波器( a p f ) 主电路原理图 f i g 1 4p r i n c i p l e dc h a r to f m a i nc i r c u i to f a p f 1 4 电力系统的无功负荷 ( 1 ) 异步电动机。异步电动机在电力系统运行负荷中占的比重非常大，是电力系统 的无功功率消耗大户。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动 机的无功功率消耗占了6 0 - 一7 0 。 ( 2 ) 变压器。变压器是电力系统的又一无功功率消耗大户。变压器的无功功率消耗 包括励磁消耗和漏抗中的消耗两部分：励磁消耗基本上等于空载损耗电流的百分值，约 为1 v 2 ；绕组漏抗消耗在变压器满载时基本上等于短路电压的百分值，约为1 0 。 因此，在从电源到用户需要经过好几级变压器的情形其无功功率消耗的数值是相当可 观的。 ( 3 ) 电力线路。电力线路有一定的特殊性。由于电力线路存在分布电容，能产生 6 沈阳工业大学硕士学位论文 无功功率作为无功功率源，又由于自身串联阻抗的作用，消耗无功功率做为无功功率负 荷。无功功率损耗是由电力线路的电抗和电纳造成的。电力网中对于一定电压等级的电 力线路，电力线路越长，电力线路参数值越大，无功功率损耗也越大，电力线路上电压 降越大。 一般来说，对于电压等级为3 5 k v 及以下的电力线路，其充电功率甚小，电力线路 主要是消耗无功功率。但是对于电压等级为l l o k v 及以上的电力线路，其情况较为复 杂。当电力线路的传输功率大时，电力线路中电抗消耗的无功功率将大于电纳中产生的 无功功率，则电力线路为无功负荷，消耗无功功率：当电力线路的传输功率较小时，电 力线路中电纳产生的无功功率，除了抵消电抗中的无功功率损耗以外，还有剩余，电力 线路为无功电源，发出无功功率。 ( 4 ) 整流装置。近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整 流装置。它们在减少能量损耗的同时，也带来了诸如功率因数下降、电压波动和闪变， 三相不平衡以及谐波干扰等问题，严重危及电力系统的安全经济运行。 ( 5 ) 其他用电设各。各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负载只消耗有功 功率外，大多数都要消耗无功功率。 从以上分析可以看出，无功补偿技术的研究势在必行。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的来源和意义：国内外观状及发展；电力系统的无功负荷。 ( 1 ) 阐明了课题的来源和意义： ( 2 ) 介绍了国内外观状及发展； ( 3 ) 电力系统的无功负荷及实际应用介绍。 7 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 2 无功功率补偿技术 2 1 静态无功功率补偿 静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化o “， 主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。无功功率补偿装置接 入系统的方式有两种：并联和串联。并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可 靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作不方便、对系统可靠性影响 大而使使用范围受到限制“”，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使 用。 用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有并联电容器、并联电抗器、 串联电容器、串联电抗器及其组合“”。并联电容器用于补偿感性无功功率，并联电抗器 用于补偿容性无功功率。串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统补偿。单独使用时， 串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电 压，串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流 动；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起 接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。由于串 联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并 联电容器和并联电抗器，因此，静态无功功率补偿主要采用并联电容器和并联电抗器“。 所以，并联电容器和并联电抗器也是本章介绍的重点。 2 1 1 并联电容器 并联电容器是指并联在系统的电容器。是通过吸收容性无功功率来补偿感性无功功 率和增大局部电压。以价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便而受到欢 迎，己被用在电力系统中的各点上。但是，并联电容器无功功率输出与电压平方成正比， 结果是在低压时无功功率输出减小，而这时的系统却需要更多的无功功率：另外，电容 器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统无功功率需求的改变而改变，是 一种静态无功功率补偿装置，适用于无功功率需求稳定的场所，它们在减少能量损耗的 沈阳工业大学硕士学位论文 同时，也带来了诸如功率因数下降、电压波动和闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问题， 严重危及电力系统的安全经济运行，容易造成欠补偿或过补偿。 ( 1 ) 并联电容器补偿无功功率的原理 系统中的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷要消耗大量的无功功率，大量的无 功电流在电源与负荷之问流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。因此，一 般需要增设无功功率补偿装置进行无功功率补偿，以提高系统电源的功率因数。 在交流电路中，纯电感负载中电流滞后电压9 0 0 ，纯电容负载中电流超前电压9 0 0 。 也就是说，纯电容中的电流与纯电感中的电流相位褶差1 8 0 。，可以互相抵消，即当电源 向外供电时，感性负荷向外释放的能量由容性负荷储存起来；当感性负荷所需要能量时， 再由容性负荷向外释放能量来提供。能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的 无功功率就可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达 到补偿的目的。 为了便于容易理解电容器补偿无功功率的原理。首先看一个简单的并联电路。假设 电气负荷是电阻r 和电感l 组成的并联电路，对r 、l 电路进行无功功率中得到补偿， 就需要对电路并接入电容c 。因而电容器补偿的等值电路与向量图如图2 1 所示。 卜 矗 工 d ) 的等值电路与向量图 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i ta a dv e c t o rg r a p h i c so f c o m p e n s a t i o no f p a r a l l e lc a p a c i t o r 其中，图2 1a 为r 、l 、c 并联等值电路图，图2 1b 为r 、l 串联后与c 并联的 9 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 电路，图2 1c 为欠补偿的向量图，图2 1d 图为过补偿的向量图仍为补偿前电压u 与 电流，的相位差，仍为补偿后电压u 与电流，的相位差在图2 1 a 所示的电路中，电流 方程为 i = i c + k = l + i r + i l ( 2 1 ) 电容提供的无功功率为 q = u c = 2 彬u 2 ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 可知，当并联电容器不投入时，厶= 0 。即不对负荷进行无功功率补 偿，那么电源即要向负荷提供有功电流j 。，还要提供无功电流j 。，电源向负荷提供的 总电流i = k = 厶+ 丘：当并联电容器投入厶0 即对负荷进行无功功率补偿，那 么电源在向负荷提供有功电流j 。的同时，提供无功电流为i l + 厶，电源向负荷提供的 总电流j = 厶+ k = i c + i r - i - 丘，特别是当，。= 一乏时，j 。+ 厶= o ，电源不需要向负荷 提供无功电流，功率因数等于1 。一般情况下，i l 一t 这时可能的情况有两种：当并 联电容器的电容c 较小时，0 厶i i 阮8 ，负荷中的感性无功电流没有被完全补偿，这时 电源的j 滞后d ，如图2 1 c 所示，这种补偿称为欠补偿；当并联电容器的电容c 较大， 会出现收p 肛。4 的情强，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容性 电流，电源的j 超前d ，如图2 1 d 所示，这种补偿称为过补偿。通常不希望出现过补 偿情况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样 会增加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 由图2 1 可知，实际电路是可以通过改变并联电容c 的大小来控制无功功率的大小， 从而调节补偿后功率因数的大小。 虽然并联电容补偿方式比较简单，而且成本也比较低，但这种方式只能补偿固定的 无功功率，因为一旦电容值选定后，就确定了其相应的无功功率，而目前电容器的电容 无法实现带电连续改变，通常是采用分组投切的方法来改变并联电容组的电容值。此外， 在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，并使谐波放大，可能会使电容器损坏。 1 n 沈阳工业大学硕士学位论文 然后，再来看负荷是由电阻r 和电感l 组成的串联电路。 率补偿的电路如图2 1 b 所示。 当并联电容器没有投入时，r l 支路的电流有效值为 k ：；竺一 、i 站+ x ： r l 支路的电抗为 z = r 七 x 对r l 串联的负荷进行无功功 这时，电源输出的电流，等于r l 支路吸收的电流，。电源的功率因数为 r 印2 丽 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ，； 当并联电容器投入时，r l 支路的电流保持不变，电容器支路的电流有效值为 ，c = 兰 ( z 6 ) 电容器支路的电抗为 z c ；一c ( 2 7 ) 这时，电源输出的电流，等于r l 支路吸收的电流，r l + i c ，电源的功率因数为 尼 叩2 霍菊手霸 8 由式( 2 8 ) 可知，投入并联电容器后，电源的功率因数将增大，特别是当x l = 疋 时，电源的功率因数为1 显然，当 置时，过补偿。其 相量关系也如图2 1 c 、d 所示 ( 2 ) 并联电容器补偿无功功率的方式 对于电力系统的感性负荷，电力企业通常采用并联电容器进行无功功率补偿。并联 电容器可以安装在全系统的各个点上，根据安装的位置不同可以分为集中补偿、分组补 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 偿、混合补偿以及随器补偿和跟踪补偿等多种方式。 1 ) 个别补偿 个性补偿又称为“就地补偿”。它就是根据个别用电设备对无功功率的需要量将单 台和多台电容器组分散地与用电设备并接。它与用电设备共用一套断路器，也可以独立 使用一套短路器，通过控制、保护装置和用电设备同时投切，所以个别补偿也称随机补 偿。它透过控制、保护装置与电机同时投切。既能提高线路的功率因数，又能改善用电 设备的电压质量。个别补偿特点是：用电设备运行时，无功功率补偿投入，用电设备停 运时，补偿设备也退出。因此不会造成无功功率倒送；同时还具有投资少、占位小、安 装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点“。 2 ) 集中补偿 集中补偿是指将并联电容器接在汇流母线上，根据母线上的无功负荷而直接控制电 容器的投切。集中补偿一般把补偿装置装于地区变电站或高压供电电力用户降压变电站 的一次或二次母线上，也包括集中装于电力用户总配电高低压母线上。其优点是安装方 便，有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，运行可靠，利用率高，维护方便，能 减少配电网、用户变压器及专供线路的无功负荷和电能损耗。缺点是：当电气设备不连 续运转或轻负荷，又无自动装置时，会造成过补偿使运行电压抬高，电压质量变坏，因 此，补偿装置需要较频繁投切；不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能 损耗。 3 ) 分组补偿。 分组补偿又称分散补偿，它是根据各用户的各个负荷中心，把补偿装置装分成几组 安装在功率因数较低的村镇终端变、配电所高压或低压母线上或车间配电室或变电所分 路出线上。 分组补偿常见的安装方式有：高压补偿装置分组安装于城乡电网1 0 、6 k v 配电线路 的杆架上；低压补偿装置安装于公用配电变器的低压侧或电力用户各车间的配电母线 上。 4 ) 混合补偿 混合补偿就是对于大容量的低压负荷和高压负荷采取个别补偿，同时在低压母线或 高压母线上安装电容器，集中补偿大量的小容量高低压负荷的无功功率需求。混合补偿 沈阳工业大学硕士学位论文 避免了全面个别补偿所带来的安装、控制、保护、运行方面的麻烦，也避免了全面集中 补偿带来的无功功率传输距离长、无功功率传输容量大、功率损耗大的缺点，因此在电 力系统无功功率补偿实践中被广泛使用。 5 ) 随器补偿与跟踪补偿。 随器补偿和跟踪补偿是两种比较特殊的补偿方式。随器补偿是指将低压电容器通过 低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功功率的补偿方式。配电变 压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功功率，配电变压器空载无 功功率是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配电变压器而言，这部分损耗占供电 量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。 随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功 功率，限制农网无功功率基荷，使该部分无功功率就地平衡，从而提高配电变压器利用 率，降低无功功率网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功功率最有效的手段之一。 跟踪补偿是指以无功功率补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在 大用户0 4 k v 母线上的补偿方式。适用与i o o k v a 以上的专用配变用户，可以代替随机、 随器补偿方式，补偿效果好。 跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比随器补偿方式寿命相对 延长，运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。当这两种补偿方 式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。 2 i 2 并联电抗器 并联电抗也是一种较早应用的重要无功功率补偿装置“”。在超高压电网中，线路空 载或轻载时大量充电功率过剩，采用并联电抗器是必不可少的。一般可以通过采用高压 和低压并联电抗器适当配合的补偿方式来实现。在长距离输电线路上，高压电抗器具有 限制过电压、分层平衡无功功率，有利于使用单相重合闸和提高系统稳定性的综合功能。 低压电抗器的主要特点是易于投切，主要用于运行方式交化中无功功率平衡和电压调 整。 在过去相当长的时间内，多考虑装设可投切并联电抗器，并且依然是目前补偿容性 无功功率( 吸收感性无功功率) 的主导装置。 1 3 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 并联电抗器的数目及位置的选择一般是按照在空载、轻载及接通空载线路等运行方 式下保证设备得到容许电压，以及考虑与输电系统的无功功率平衡等条件来确定的。当 线路输送功率加大时，必须适当切除电抗器以保证系统的电压和稳定性；在轻载时由于 它对线路充电功率的补偿，从而降低了线损。此外，随着沿线及受端电压的改善，也就 增加了系统的稳定性。下面对并联电抗器进行较详细的介绍。 ( 1 ) 并联电抗器在电力系统中的作用 并联电抗器无功功率补偿装置常用于补偿系统电容。它通过向超高压、大容量的电 网提供可阶梯调节的感性无功功率，补偿电网的剩余容性充电无功功率，控制无功功率 潮流，保证电网电压稳定在允许范围内“”。实践证明，对于一些电压偏高的电网，安装 一定数量的并联电抗器是解决系统无功功率过剩，降低电压的有效措施。特别是限制由 于线路开路或轻负载负荷引起的电压升高。 由于超高压远距离输电线路，其输电线路对地及相与相之间的电容特别大，输电线 路电容会产生大量的无功功率，各级电压输电线路的容性充电功率的数值如表2 1 所示。 由此可知，在超高压和一些中低压电网中，其容性充电功率的数值相当可观，决不可忽 视。这样，负荷在空载或轻载会引起输电线路末端电压过分升高，发电机产生自励磁。 为了使输电线路维持在规定的范围内，发电机电势必然需要降低，这样将会使电力系统 的功率极限减小，运行功角增大，使静态稳定水平下降。 为了改善上述情况，在一定的运行工况下，在超高压输电线路首端装设并联电抗器 以吸收输电线路电容所产生的无功功率，称为并联电抗器补偿。这样，输电线路首端发 电机就可以在较低或滞后功率因数下运行，发电机电势可以得到提高，因而电力系统的 功率极限也会增大，运行功角减小，从而使静态稳定性得到提高“。 ( 2 ) 并联电抗器的结构特点 并联电抗器按相数分有单相和三相两种，三相电抗器比3 台单相电抗器的价格约 便宜2 0 * , - - 2 5 。按其本体的结构特点分，有干式空心和油浸铁心式两种。 干式电抗器的空心线圈底座由支柱绝缘支撑，可装在户外或户内( 一般用于3 5 k v 及以 下电压) 变电站的三次侧母线上。由于干式空心电抗器没有铁心，不存在铁磁饱和，电 感值不会随电流的变化而变化。其特点是线性度好，运行可靠性高，而且维护简单，价 r 4 沈阳工业大学硕士学位论文 表2 i 各级电压输电线路的充电功率的数值 t a b 2 1d a t ao f p o w e ro f c h a r g eu pe l e c t r i c i t yo f t r a n s m i s s i o nc i r c u i to f a l lk i n d so f v o l t a g e 斗： 蓝媾察蚺馈 囊媾蠕臻蠕 铁轭 线圈 图2 2 三相空心干式并联电抗器结构示意图 f i g 2 2s t r u c t u r a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f h o l l o wp a r a l l e lr e a c t a n c eo f g e n e r a t o ro f t h r e e - p h a s e 格低避免了油浸电抗器发生漏油，易燃等特点。 油浸铁心式电抗器的结构和电力变压器相似，主要由线圈、铁心和油箱等部件组成。 油浸式铁心电抗器采用绝缘油为介质和冷却剂，提供了提高工作电压和增大容量的条 件。电抗器由于采用磁屏蔽，可不考虑杂散磁场对周围的影响，节约占地。但油浸式 铁心电抗器噪声大，维修工作比较麻烦，由于铁心饱和，其线性度不如干式电抗器好。 美国、德国生产的并联电抗器其铁心是空心干式的，三相空心干式并器的内部结 构如图2 2 所示。为了改善电抗器的饱和特性，线圈内部没有铁心却由铁心环绕，线 电力系统可控电抗器无功功率补偿技术 圈产生的磁通经外铁心返回。因此又称空心壳式电抗器。 瑞典、加拿大、法国等厂家的产品大多数是铁心式的。三相铁心器的内部结构如 图2 3 所示。铁心式并联电抗器的线圈在由多段铁心块和间隙组成的以增大电抗值，另 外两个旁轭铁心柱的磁阻很小，磁通经过轭铁及外侧旁轭铁心柱返回。 图2 3 三相铁心式并联电抗器内部结构示意图 f i g 2 - 3i n t e m a is t r u c t u r a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f p a r a l l e lc o l e 埘国c 拓i n c eo f t h r e e - p h a s e 2 1 。3 串联电容器 串联电容器与导线相串联以补偿线路的感性电抗。这将减小线路所连节点的转移 电抗，增大最大传输功率，减少实际的无功功率损耗。 串联电容器主要用于补偿线路的部分串联感抗，从而降低输送功率时的无功功率损 耗，也是得到较早应用的一种无功功率补偿装置。它是国内外电力系统在远距离输电时 比较普遍采用的提高系统稳定性和输送能力的重要手段。 在超高压系统中使用串联电容器补偿是不简单的。这是由其本身以及与系统间相互 作用的复杂性所决定的，这些问题包括有布置与接入方式的选择、电容器保护、线路保 护配置、可能在某些运行方式下引起发电机的自励磁、自发振荡以及次同步谐振等。然 而，近年来在电容器保护装置的设计以及开发防止次同步谐振的措施等方面不断取得的 进展，在维持串联电容器使用的增长速度方面已经起了重要的作用。“。 ( 1 ) 串联电容器补偿的原理 沈阳工业大学