（电力电子与电力传动专业论文）智能无功补偿控制器的设计.pdf

些些! 些叁兰丝! ：兰丝垒兰一坚! ! ! 生 a b s t r a c t t h en e c e s s a r ya n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r e a n a l y z e di nt h ep a p e r , b a s e do nt h e e s s e n t i a lp r i n c i p l e s o m ed i f f e r e n tk i n d so f b a s i cm e t h o d so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r ed i s c u s s e d ，a n dt h ep r o b l e mo f t h e o p t i m u ms i z e f o rs h u n tc a p a c i t o rb a n k ( s c b ) i sa n a l y z e d t h ea b n o r m a l p e r f o r m a n c e so f s c bi nr u n n i n gs t a t u sa r er e s e a r c h e da n dr e s o l v e d b a s e do nt h et s cr e a c t i v e c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ，a n e wl o w v o l t a g e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ，w h i c h c a ns l o v e s w i t c h e d c a p a c i t o r w i t h o u t i n s t a n t a n e o u sr u s hc u r r e n t b y m e a n so f z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n g o fs c r c o m p o n e n t s ，a n d c a l lr e a l i z e a u t o t r a c k i n g r e a c t i v e p o w e r ，c o m p e n s a t i n g a n d a u t o s w i t c h i n gs c b m s p 4 3 0 f 1 4 9m c u i su s e da si t sc o r ec o n t r o l l e r i ti ss h o w n t h a tt h ea l g o r i t h mi nh a n dh a st h ev a n t a g eo f d e c r e a s i n gp o w e r l o s sa n dl o w e r so f v o l t a g ea n di n c r e a s i n gt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e me f f i c i e n c y , f o re x a m p l ep o w e r f a c t o r t h ec o n t r o l l e rm e a s u r e sa n dm o n i t o r sp a r a m e t e r so fe l e c t r i cn e t w o r k ，t h e ns a v e s p r e t e r i td a t ao f6 0d a y sw h i c hi s t h ee v i d e n c eo ft h er u n n i n gs t a t u so fe l e c t r i c n e t w o r k a n dt h e nt h er u n n i n gc u r v eo fp a r a m e t e r si sg a i n e db yb a c k g r o u n dd a t a p r o c e s s o fc o m p u t e r i no r d e rt o c o n v e n i e n t l yr e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o n t r o l l e ra n do p e r a t o r ，t h em e t h o do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni s a p p l i e di n t h e c o n t r o lf i e l da n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o ni ss o l v e db yr s 4 8 5i n t e r f a c e a f t e rt h er u n n i n gt e s to f t h ec o n t r o l l e r , t h ed e v i c eh a sb e e n p u ti n t ou s e k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a u t o s w i t c h i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a u t o t r a c k i n g z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n g j tl 业人学侦卜学位论史 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究的背景 电力是我国的主要二次能源，随着国民经济的发展，节电降耗，减少，卜产 成本是企业追逐的目标。但是电力系统中先天性的存在着大量的无功负荷，这 些无功负荷来自电力线路、电力变压器以及用户的用电设备。系统运行中大量 的无功功率将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重影响 着电力企业的经济效益。解决这些问题的一个有效途径就是进行无功补偿。功 率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统的电 压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企 业的经济效益。 同时，在现代电力企业中，功率因数是考核配电网运行的重要指标，为达 到考核指标，必须结合本地区的具体情况，进行无功的规划，其规划的目的是： ( 1 ) 保证规划地区的无功平衡，维持电力系统的无功稳定。 ( 2 ) 提高地区电网电压的质量，使地区电网无功、电压优化运行。 ( 3 ) 提高功率因数、改善地区电网电能质量，提高电力企业经济效益。 ( 4 ) 合理确定无功补偿方式、无功补偿容量、无功补偿的安装地点使补 偿效果最佳。 第二节无功补偿的分类 按补偿端电压可分为高压无功补偿和低压无功补偿： ( 1 ) 高压无功补偿是将并联电容器集中架设在高压变配电所的高压母线j ：， 这种补偿方式只能补偿高压母线前边( 电源方向) 所有线路上的无功功率，而 高堰母线后边场内线路的无功功率得不到补偿，所以这种补偿方式的经济效粜 较羞，但是这利补偿对于电力系统仍起到了补偿作用。从电力系统的全局看， l p q 北l _ k 人学f l j j 1 1 学位论义 第一章绪沦 这种补偿是必要的和合理的，而b 由于集中补偿的初期投资少，便于运行和维 护，适合于火型厂矿企业应用。 ( 2 ) 低压无功补偿是将电力电容器分散地装设在各个车问或用电设备附近， 这种补偿方式能够补偿安装部位前边的高压线路和变压器的无功功率，因此它 的补偿范围大、效果好。但这种补偿方式总的设备投资大，且不便于维护。这 种补偿方式多用于负荷比较分散和补偿容量较小的工厂车间中，对于用电负荷 比较集中且补偿容量比较大的大型厂矿宜直接采用高、低压混合补偿方式，这 样可以相互取长补短，提高补偿装置的经济效果，而低压成组补偿是将并联电 容器装设在车问变电所低压母线前边的包括车间变压器和厂内高压配电线在 内的所有无功功率，其补偿范围比高压集l _ f _ l 补偿范围大，但比低压分散补偿范 围小，这种补偿方式的优缺点介于高压集中补偿和低压分散补偿之间。它在中 小型工厂应用较多。 第三节无功补偿技术的现状 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了静止无功补偿技术，这种技术经过2 0 多年 的发展，经历了个由不断创新、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，使其具有吸收或发出无功电流的能力， 用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静 t k jr 关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器的 关速度较慢，约为1 0 s 3 0 s ，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而_ _ l 投 切电容器时可能会引起严重的冲击电流和操作过电压，这样不但容易造成接触 点烧焊，而且可能使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修大。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触f 缸开关 s c r 、g t r 、g t o 等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高5 0 0 倍( 约 为t o 心) ，对任何参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而i ! ：1 可以进行 小十h 调柑。现今所指的静止无功补偿装霞一般专指使用品闸管的无功补偿设 i j q 1 t ；j ：业人学碳卜学位论文 筇一章绪论 备，主要有以下三种类型。一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿城置 ( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ：第- z 类是晶闸管控制电抗器( t c r ：t h y r i s t o rc o n t r o l r e a c t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ：t h y r i s t o rc o n t r o l c a p a c i t o r ) ，这两种装置统称为s v c ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ) ；第三类是采用 自换相变流技术的静止无功补偿装置一一高级静止无功发生器 ( a s v g ：a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。 下而对这三类静止无功补偿设备做一简草介绍。 第四节无功补偿设备的分类 1 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装 置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的 能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。 可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而 改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装茕组成的静止无功 补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制成，后 来美国通用电器公司也制成了这种装置，但是由于这种装置中的饱和电抗器造 价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心 损耗比并联电抗器大2 - - 3 倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时i 长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器 目前应用的较少，一般只在高压输电线路才有使用。 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) t c r 属于并联型，两个反并联的品闸管与一个电抗器相串联，主回路如 图11 所示。它的三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调 压器电路接感性负载，此电路有效移相范围9 0 。1 8 0 。当触发角f l = 9 0 。 时，品闸管全导通，导通角8 = 1 8 0 。，此时电抗器吸收的无功电流最大。根 据触发角与补偿器等效导纳之问的关系式： 1 婴：坐三些查堂堡! ：堂焦堡兰 一垫二至! i 坠 b ，= bz 。骥( 6 一s i n 占) 疗和b ，= 1 x l 图1 1 i c r + m s c 主同路 i j 哚k 厂 一 _ j 影 一 图1 2 电源电压在触发角n 下的电抗器波形 可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中 的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分 量，达到调整无功功率的效果。 t t t 于单独的t c r 只能吸收无功功率而不能发出无功功率，为了解决此问 题，可以将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元 件不同，又可分为t c r 与固定电抗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的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具 有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i l k 企 l kc t t 应用 广泛。由于固定电容器的t c r + f c 型补偿装置在补偿范围由感性范围延伸到容 + 陀范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿工作在i 吸收较小的 无功电流时，其屯抗器和电容器都已i 吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而 l j l i 北i ：、i p 大学坝卜学位沦义 第一章绪论 已。t c r + m s c 型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度卜克服了这些 缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，较小断路器的 j 况。 3 晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决晶闸管频繁投切的问题，t s c 装置应用而生。其主旧路如图l3 所示。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 f 乜抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能对电网造成的电流冲击。t s c 期 于三相电网中可以是三角形连接也可以是星型连接。一般对称网络采用星型连 接，负荷不对称网络采用三角形连接。无沦星型还是三角形连接都采用电容器 分组投切。为了对无功电流尽量做到无极调节，总是希望电容器级数越多越好 但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用k 个电容值为c 的电容和k 个电窬 值为c 2 的电容组成2 k 级的电容组数。 u 图1 3t s c 主同路 t s c 的关键技术问题是投切电容时刻的选取。经过理论计算和多年的分 析与实验研究，其最佳投切时机是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两 端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补 偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对晶闸管触发电路进行很好的设计。 t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果分级分得足够乌”，爆 本l 可以实现无极调节。 4 高级静i e 无功发生器( a s v g ) a s v g 属于串联型，主回路结构如劁1 4 所示，输出电压波形如图1 5 所 北r 业人学f ! i1 j 学位沦义 示，电压的相位可超前或滞后于系统电压，因此能与系统进行有功、无功之问 的交换。该装置既可补偿无功又可消去系统中谐波，若单纯用于无功补偿，可 采用多台并联移相输出，使装置本身的谐波电流得到抑制。稳态工作时，a s v g 的直流侧无有功交换，无功功率电流流动于三相之问，因此直流侧只需较小电 容，补偿特性好。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便， 成本高等问题，不便在全国推广使用。 k k 吒 图1 4 a s v g 主同路 图1 5 a s v g 输山i _ | = i 压波形 l i l i 北r 业人学坝i ? 学位论立 笫章绪论 第五节本文研究的内容及关键技术 1 5 1 研究内容 奉文从无功补偿的基本原理出发，分析了无功补偿的必要性及其所能产：l 二 的经济效益：确定了无功补偿的几种基本方法，对无功补偿中所遇到的最佳补 偿容量问题进行了分析和探讨，研究并解决了补偿电容器在运行中的几种异常 现象。 1 5 2 关键技术 1 电容器的投切控制 低压无功功率补偿电容器的投切，一般都采用接触器。由于投切时会造成 很大的浪涌电流，因而需要对接触器有较为严格的要求。若按照该方法运行， 电容器每次投切时会对自身和电网造成很大的影响。如何消除电容器投切时的 浪涌电流或者将浪涌电流降到最小，对于系统本身和电网都有着很大的安全意 义和经济效益。本系统中采用晶闸管过零触发技术触发电容器投切，消除投切 所造成的瞬态电流冲击。除了在硬件上确保电容器投切不对电网及其晶闸管本 身造成电流冲击，软件中设计控制规律时，必需做到投切控制的准确可靠，防 止电容器振荡投切，确保系统安全可靠的运行。 2 数据存储的可靠性 由于用户和系统的要求，装置需要记录6 0 天的整点数据、投切数据、超 高压报警数据、超低压报警数据和谐波过大报警数据，以及系统的停电情况。 所有的上述情况都需要进行记录，安全可靠的存储数据对于检测无功补偿是否 达到预期的降损节能效果以及对于局域电网的各项电参数指标的评估分析均 可提供数据依据，也为将来的电网改建提供了参考依据。 3 历史数据的读取 | _ | = | 于无功补偿装置的分散性，在现场若采用有线传输方式读取各项历史数 第一章绪论 据会造成系统的安装难度和系统的复杂性，同时会引起系统设计成本的增加。 目前比较通用的两种方式为：红外数据传输和无线数据传输。两者各自都有着 明显的优点和缺陷：红外数据传输具有传输稳定性高，误码率低、传输速率商 的优点，但有效通信距离比较近；无限数据传输具有传输距离远，但传输速率 较低、易受干扰，一次传输大批量数据时误码率较高且不易校验。 4 无线数据通信的可靠性 近年来，随着通信技术的迅速发展以及用户对于无线产品的需求，用于无 线收发的r f 芯片得到了普遍使用，如何解决无线通信中的数据可靠性以及如 何保持发送和接收的同步，便成了无线通信模块使用的一个突出问题。 本课题在t s c 型无功补偿装置的基础上设计了一种新型的低压智能无功 补偿装置，该装置投入运行以来，运行稳定可靠，实现了预期的设计目标。 阳北j 业大学顺1 一学位论文 第二帝无功功率补偿的碡奉原蝉 第二章无功功率补偿的基本原理 第一节无功补偿的一般概念 将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能 量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就只在它们之问交换，j ；i | j 感性负荷( 电动机、变压器等) 所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功 功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调 相机、同步电动机等也可以作为无功补偿装置。 2 1 1 电力网络功率因数 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要承担负荷的无功功率q 。 有功功率p 与无功功率q 还有视在功率s 之间存在下述关系，即 s = p 2 + q 2( 2 1 ) 而 吾卸o s 妒( 2 - 2 ) c o s 6 p 被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率p ， 线路视在功率s 的百分数。在电力网中的运行中，我们希望的是功率因数越 大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率， 可以减少无功功率的消耗。 1 功率因数c o s p 与效率，7 的区别 功率因数c o s p 与效率叩是两个不同的概念。如电动机和变压器的效率玎 是指输出有功功率和输入有功功率的比值，效率的概念用来说明有功功率的损 耗。而功率因数c o s o 用来说明在电网和用电设备之间往复交换的电场或磁场 的能量大小，功率因数越高说明在电网和用电设备之问往复交换的能量越小。 9 第二章尤功功率补偿的罐奉原理 2 设备的自然功率因数和经济功率因数 ( 1 ) 自然功率因数 自然功率因数是指供用电设备在没有采取任何补偿手段的情况卜，设备 本身固有的功率因数，称自然功率因数，也就是说在投入无功补偿装置前设 备本身有功功率与视在功率的比值。设备自然功率因数的高低取决于负荷性 质和负荷状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其 功率因数就较低。另外在设备负荷很低的时候，其自然功率因数也就低。 ( 2 ) 经济功率因数 经济功率因数是指客户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的功 率因数。用户安装一定容量的无功补偿装置可提高用户的功率因数，就减少 了无功功率和有功功率损失，用户功率因数提高到何值最为经济，应综合考 虑两个方面：一是为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源和无功负荷 必须保持平稳并留有一定的余量；二是按运行费用最小的原则决定用户的经 济功率因数。 2 1 2 提高功率因数的意义 1 改善设备的利用率 功率因数还可以表示成下述形式 c 。s 妒：! ：熹( 2 - 3 ) i s _ 3 u l 4 其中u 为线电压，单位k v ；i 为线电流，单位i 。可见在一定的电压和电流 下，提高c o s6 p ，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因数是充分发挥设 备潜力，提高设备利用率的有效方法。 2 提高功率因数可以减少电压损耗 山局部电力网的等值电路图2 1 可知，电力网中由于无功负荷而带来的电 h i 损耗a u 的计算公式为： t ) 筇一章无功功牢补偿的祭小原理 u = u 一u ：= ，zc 。s 妒r + ，：s i n 妒x2 半z ! ! 墨；等( 2 - - 4 ) 式中：u 。一一电力网的额定电压：u ：一一元件的末端电压 一一电网中电压和电流的相位角 尺，x 一一电力网中元件的等效电阻和等效电抗 只，q ：一一元件末端的有功负荷和无功负荷。 1 2 卫一rx 一 卜二 十s 2 u 1 一 u 2 s 1 3 减少线路损耗 当线路流过电流，时，线路的有功损耗 a p = 3 1r 1 0 。r k w ) 或p - 3 c 赤心1 0 一2 等m 旷。2 5 ，戥 。 ( 一) = 3 订p 2 r ( 去) 1 0 弋k ) 其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为： 0 2 峨2 秀r ( 2 - - 6 ) 由( 2 - - 5 ) 式可知，线路的有功损失p 与c o s 2 p 成反比，c o s ( p 越高尸越 小。 4 提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率存在下述关系 西北刚k 夫学倾i 学位论文 第一章无功功率补偿的螭奉原_ 1 1 9 1 p = s c o s ( 2 7 ) 可见，在传送一定有功功率p 的条件一f ，c o s c , o 越高，s 越小。 由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户 端的电压质量的重要措施之一就是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高 负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。 第二节无功补偿对电压损失率的影响及其经济当量 2 2 1 无功补偿对电压损失和电压损失率的影响 线蹯的电地损耗计算公式为 ( ，= 豇( r c 。s p + x s i n 妒) l o = p r 万+ 一q x 1 0 一3 ( k y ) ( 2 8 ) 当线路加装补偿电容后，其电压损耗减少值为 口= a u l a u 2 ： p r + q x 一p r + ( q - q , ) x 1 1 0 - 3 u 。u 。 1 = 簪1 0 。( k v ) ( 2 - 9 ) 电压损耗率的减小值为 揣她哪以吣= 器址击警 = 百q c u x l ：堡坐(21n、1000 v l 0 s ， ”1 呵见，当增加补偿容量时，电压损耗a a 和电压损耗率a a 与补常容量 p 成证比。 p qi e 州k 夫学坝i j 学位论文镍二章无助功率补偿的蚺奉鲰雕 2 2 2 最佳功率因数的确定 用户改善c o s 可以少付电费，因此改善功率因数对电网有利，自然对用 户也有利。可是，为了改善功率因数，用户必须付出一定的投资。问题的焦点 是，将c o s f p 提高到何种程度其受益最大。这就是确定最佳值或者经济功率阁 数的含义，下面分两种情况进行分析： 1 有功功率不变的情况 设用户的有功功率为p ，改善前后的功率因数分别为c o s 纯、c o s p ：，则 改善前后视在功率的变化量为 a s = s 母去一面p ( 2 - 1 1 c o s ) 妒1c 0 s 舻， 若1 k v a 应付电费为x 元，则改善前后用户的经济效益为 x ( 一一j 上) ，( 元) ( 2 - - 1 2 ) c o s 妒lc o s 妒2 式1 1 1 ，t 为用电时间。补偿装置发出的无功功率为 o = p ( t g e l 一培9 2 )( 2 1 3 ) 但是安装补偿没备，必须付出设备投资，该投资应由提取设备折旧费回收。同 时还应考虑企业投资的利润以及补偿装置的年运行费。将上述各项都打入每年 的成本中。假定i k v a 的无功补偿装置的年成本为y 元，则用户的补偿费用 为：y p ( t g e - t g a ：) ( 元) 。改善后，用户的经济效益为 - ，= x p ( 一) 卜y p ( t g 口o l t g e 2 弘 ( 2 1 4 ) c o s 妒ic o s p ， 为求得效益最大值，将上式对伊：求导，并令其为零，有 面d j = - x p ( s e c 妒2 但妒2 ) 十冲s e c 2 妒：= 。 p q 北 。、世人学坝l 学位论文 第二帚无j ：；! j 功率补偿的攮夺原理 ， s i n 妒22 一 妒2 ：s 一兰( 2 1 5 ) 可见对用户而言，最佳功率因数角仍与原功率因数c o s f j p ，无关，其值决定 1 j 供电与补偿装置的成本。 2 视在功率不变的情况 现在假定用户对有功负荷的要求有所增加，即由p 增加到p + a p 。获得 a p 的方法是提高功率因数。在s 不变的情况下，p 为 a p = s c o s ( 0 2 一s c o s q i( 2 1 6 ) 为获得p 大小的有功增量，补偿装置必需能发出p 大小的无功，且 q = 鱼! 塑s i n 妒1 一s s i n p 2 = s ( t g e lc o s a p 2 一s i n p 2 )( 2 1 7 ) c o s 驴。 i 孜j 1 p 的补偿费用为y s ( t g 妒lc o s2 一s i n2 ) ( 元) 。 第三节低压无功补偿的实用方法 一般市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿 的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高 用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损 失。低压补偿对用户及供电部门都有利，低压无功补偿的目标是实现无功的就 地平衡，通常采用的方式有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 ( 1 ) 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装茕 与电机共同投切。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用r n 设备停止运行时，补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少， 配置灵活，维修简单等优点。 ( 2 ) 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， 来补偿配电变压器空载无功。有很多的低压配i 乜网中的变压器，t 其是农网酗 心北一i l k 人学坝i 学位论义 第二章尤功功率补偿的摧奉脲婵 电变压器，普遍存在负荷轻的现象。在负荷很轻时接近空载，此时配电变压器 的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补在低压侧，可有效地 补偿配变空载无功，且连线简单，做到无功的就地补偿。 ( 3 ) 跟踪补偿是指以无功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o 4 k v 母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起 剑随器补偿的作用，补偿用户自身的无功基荷；可投切电容器组用于补偿无功 峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。此种装 置可较好地跟踪无功负荷变化，运行方式灵活，维护工作量小，而且该方法对 电容器的保护比前两种更可靠。 上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿， 降损节能效果好。 第四节变压器在无功补偿中有关参数的计算 在配电网中，配电变压器是主要的用电设备。为了使配电变压器工作在最 佳补偿范围内，必须对配电变压器的参数进行计算。以免发生无功补偿不足和 发生过补偿无功倒送的结果。在此将讨论配电变压器无功损耗的计算、配电变 压器一次及二次功率因数的计算、配电变压器降损计算等有关问题。 2 4 1 变压器无功损耗的计算 变压器的空载电流百分数i o 为 厶= 刈o o 将上式两边乘以额定电压有 丑。，。u 。1 0 = , f l u 。，。 放 s o = , f l u 。，。= l o s 。1 0 2 p q 北一业人学坝i ：学位论文第章丸功功率补偿的捧奉蟓避 l ：式则为变压器空载视在功率。由此可得，变压器空载无功功率 瓯领警卜2 ( 2 1 9 ) 变压器负载无i 力功率为q 。= 等。( 2 - 2 0 ) 变压器的无功损耗可以写成 9-绕协v匿ti o o ) +矿9 2 q - 0 2 ( 2 - zz ， 式寸1 只一变压器空载有功损耗 p 一一变压器负载有功功率 q 一一变压器负载无功功率 一一变压器额定电压 x 。一变压器感抗 在考核用户的功率因数时，通常是考核变压器一次侧的功率因数值。对高 压计量的用户，变压器所消耗的有功、无功电量已汁入电能表，放此时按电能 表的电量计算的c o s ( p 即为一次功率因数值。如果用户采用低压计量，则应将 电能表的电量加上变压器的有功、无功损耗电量，此时计算的c o s q j 才是一次 功率因数。 2 4 2 一、二次功率因数的计算 ：次功率因数的算式为 暇， 噜妒2 2 访 c o s 矿c o s p 器) 阻z z ， 阳，i lh 【k 人学坝l 学位硷义笫，一章尤1 山功率补偿的批奉原胖 式中，一一有功电量，k w h 一一无功电量，k w h 一一次功率因数的算式为培妒- = 面w o 两+ w ( j c o s 舻c o s ( 增。鬻 ( 2 - 2 3 ) 式中 。一一变压器损耗有功电量，k w h 一一变压器损耗无功电量，k w h 2 4 3 降低铜耗的计算 在变压器二次侧投入电容器补偿，使流过变压器绕组中的电流减小。故绕 组的有功损耗也要相应地减小。单台变压器有功功率的减小值为 兄_ q ( 丐孚舢1 0 - 3 ( 2 - 2 4 ) 式中 r 。一一变压器等效电阻 铜耗减小的有功功率值也可用下式计算 叱夥2 叱【1 罴j ( 2 - 2 5 c o s ) 驴，j 式中一一变压器的负载率 c o s 口9 l 、c o s q ) 2 一补偿前后的功率因数 a p x 一一变压器的额定铜耗 埘北1 业人学硕l 学位论文 第二章无功功牢补偿韵捧夺棘鲣 2 4 4 变压器输出功率的计算 通常，变压器的二次侧投入补偿电容后，其无功负荷将减少、有功损耗 降低，相应的增加了其富裕容量：若变压器已满载运行，则当进行补偿后， 就具有寓裕容量，说明变压器的带负载能力增加，即可增加它的输出功率。 如设补偿后的功率因数为c o s 6 9 ：，补偿后新增负荷的功率因数为c o s q 9 。， 则有如下四种情况： 1 ) 当c o s t p o c o s e p 2 时，可增加负荷的视在功率为 s o = s ；c o s 2 ( 妒2 一妒。) + s 2 i s ；一s 2c o s ( f o o p 2 ) 4 ) 当c o s o 。= 0 时，可增加负荷的视在功率为 。s ：= s ：c o s 2 妒2 + s 2 l s ；一c o s p 2 2 4 5 降低线路有功损耗的计算 对线路有功功率损失值的讨算，应按线路各节点间电阻及所通过的无功负 荷分段求出有功功率损失值后，再将各段的值相加，其和为网络有功功率的损 失减少值。 只= 峨，。( 2 2 6 ) 两北r 业大学硕i j 学位论史第二章无功功牢补偿的基奉原理 = q 。2 2 矿o - 2 0 , , r 1 旷( 2 - 2 7 ) 式中匕。一r 。段的线路功率损失减少值 凡一一网络节点间的线路电阻 o 一一流过月。段的无功负荷的总和 q ( 、一一流过r 。段的经济当量 r 一一线路功率损失减少值 第五节确定无功补偿容量的一般方法 2 5 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 如果电力网最大负荷平均有功功率为，补偿前的功率因数为c o s 仍，补 偿后的功率因数为c o s 6 p ：，则补偿容量可用下述公式计算 式 或写成 q 以( 嘲坳：) = o 卜器) ( 2 - 2 8 ) 盼吲辱i 一层i ，( 2 - 2 9 ) 有时需要将c o s 妒提高到大于c o s p 2 ，小t c o s q ，则补偿容量应满足不等 鼯一层1 习1 觋 鼯一层j 式中 q 一一所需补偿容量( k v a r ) ( 2 3 0 ) i ) q - i li i j l k 大学坝 二学位论立 第二章光功功率补偿的捧本麒埋 q 。一一最大负荷平均无功功率( k v a r ) p ，一一最大负荷平均有功功率( k w ) ； c o s f o ，应采用最大负荷日平均功率因数，c o s o 确定要适当。通常，将功 率因数从0 9 提高到1 所需的补偿容量与将功率因数从o 7 2 提高到0 9 所需的 补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为 在高功率因数下，c o s q ，曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿 容量将要相应的增加。 2 5 2 从降低线损需要确定补偿容量 线损是电力网经济运行一项重要指标。在网络参数一定的条件下，其与通 过导线的电流平方成正比。设补偿前流经电力网的电流为，其有功、无功分 量为，和，如图2 2 所示。则 l = i p j l q 若补偿后，流经网络的电流为，其有 ， 功、无功分量为，和乇，则 i = i p j l 。 但是，加装电容后，将不会改变补偿前 图2 - 2 向最幽 的有功分量，故有j ，= j ” 补偿前的线路损耗为：p ：3 ，z r ：3 ( j l ) ：r c o s 补偿后的线路损耗为：j i ) = 3 ，“r = 3 ( 二) 2 r r ， o u 3 ， 补偿后线损降低的百分值为： p l i i z ：业火学顺t 学位论文第二章尤_ i ：j j 功率补偿的捧奉原理 a w o ：些1 0 0 ：i 1 一( 竺芝) ：】。1 0 0 a pc o s 4 i f i f l b 偿容量为： q ：= x 3 u a l q = f f 3 u ( 1 s i n o i s i n q = 朽u s , , ( t g e t g e p ) = p ( t g q 口一f g ) 因此，该补偿容量公式与提高功率困数确定补偿容量的公式4 ，则并联补偿装置与电网阻抗的综合阻抗 特性为感性，对网络明显有抑制谐波的作用，相当于一个高通滤波器的功能。 但当 时电网的综合阻抗呈现容性特征，补偿装置不起抑制谐波的作 用，而是对” 的谐波起放大作用。倘若网络中，n 谐波量较大时，这 将对电力网络与补偿装置的安全运行构成威胁，所以这时要慎重选择疗。的值， 以充分发挥串联电抗器的作用。 高次谐波是电网的危害，对有谐波的网络进行无功功率补偿，应加装串联 i 乜抗器使补偿回路对谐波频率阻抗呈现感性，从而达到抑制谐波分量的作用， 或将电容器、电抗器组成交流滤波器。 3 2 4 暂态过程中的过电压 ! 当电容装罱接入回路时，特别是当一部分f 电器已经通a h , t ，而另一部分义 接x i i 路h , j 。，可能h j 现商幅值和高频率的暂态过电流。这时，如在每一组r u 容 器的供 乜回路串接电抗器，可将暂态过f 乜流减少到电容器容许值。 3 0 o t i j l ；n 业人学坝i ：学位论立 第二- 章补偿f u 容器相：运行中的异常m 豫及分析 另外电容补偿旧路在路断器和闸、分闸时都会产生过电压。而合闸时的弹 跳和分闸时的重燃，都会增加电压的几率和倍数。尽管串接电抗器的并联i 乜窑 补偿装茕具有限制合闸涌流、短路涌流、谐波的作用，但有了串接 乜抗器，特 别是品质因数较高的水泥电抗器，常使断路器重燃几率合过电压i 晡值增加。 晕燃时，在电弧熄灭的过程中，电流的变化是非常快的。不串接f 乜抗器 时，过电压主要决定于网络产生的暂态电压。出于目前并联补偿装置均接于电 力网络的l o k v 和0 4 k v 侧，因此，变压器在系统阻抗中起很大作用，当遇到 磁饱或高频时，变压器的损失值是非常可观的，这便决定了过电压的衰减速度 是非常快的。但当补偿电容带有串接电抗器时，在重燃电弧熄灭过程中，电 抗器两端可能出现高的暂态过电压，这与系统的暂态过电压叠加施于电容器 端，以至出现更高的过电压，导致氧化锌避雷器或电容器爆炸。所以电容器应 注意其投切控制及其投切时刻的选择，这将在第五章中进行分析。 3 2 5 电容器端电压升高现象 由于串接了电抗器，加于电容器的端电压高于母线电压： 圳。去 式中u 。一一补偿回路母线电压。 x 。相对于x 。越大，电容器的端电压升高越多，例如x 为丑的6 时l 乜 压将升高64 ；若，为，的1 3 ，电压将升高1 1 5 。此外由于电容器的 i 棚容量不可能完全均衡而导致电容器本身承受的电压超过其额定电压，丽这 种不均衡程度在串接电抗器后更严重了，这就使电容器端电压升高值大于只考 虑三相均衡是的升高值。 糟并联电容补偿装置在设计之前已考虑这些影响因素，只需将其额定电j 氍 水平提高，增加一些容量即可解决。但若装置经改造加装串联电抗器，会导致 r i 容器端电压的j t l 高。这样不但限制了f 乜容器的投运量，而且影响了电容器的 两北r 业人学颂l 。学位论文第i 章补偿电容器扣：运行中的异常现象及分析 寿命，许多电容器的爆炸等现象都是由于端电压升高所致。因此，对串联电抗 器应充分考虑电容器电压升高所带来的影响。 两北t 业大学坝f 学位论文 第旧章光功补偿控制 碗件电路醚 f 第四章无功补偿控制器硬件电路设计 经过理论分析之后，本章对本次课题的重点：j k f a 型无功补偿控制器的 发计进行阐述。依据囡家对低压无功补偿装置的规定及当前无功补偿技术的发 展状况，在研制j k f a 型无功补偿器时，我们采用改进的t s c 并联电容器型 无功补偿袈置。它具有连线和控制方式简单，电容使用效率高及不产生谐波污 染等优点。同时，针对其输出控制回路的缺点，做了进一步的改进。根据电容 器是型连接还是】，型连接，j k f a 型无功补偿装最可分为麸补或是分补甚至 共分补结合型。 第一节无功补偿装置的功能要求 一、无功自动补偿控制器实现的功能有： 1 、控制方式：可控硅与接触器联合控制，即在投切时采用可控硅，难常运 行州采用接触器方式。 2 、工作方式：动态跟踪，逻辑判断，自动及时补偿。 3 、控制物理量：以无功功率和电网电压综合控制电容器的投切。 4 、补偿方式：采用三相共补或分相补偿及共、分补结合型。 5 、自动延时功能：电容器投切延时至少l o 秒，同组电容器的投切问隔时间 大于5 分钟。 6 、自动鉴相功能：能识别并自动转换取样电流极性。 7 、保护功能： 断路缺桐快速切功能：电网发生断路缺相时，自动切除全部电容器。 过i 乜压快速切功能：电网电压大1 ：高压保护值时，自动切除全部电容器。 谐波快速切保护功能：也网谐波超过5 0 疥j ，自动l 刀除全部电容器。 短路保护：由快速熔断器和空气丌关双重保护。 8 、向检复归：每次接通电源后，装簧进行自检，并使输出网路处于断7 l ：状 3 3 两牝工业人学硕l ：学位论文 第p q 章无功补偿摔制器硬件电路设计 态，重新判断是否投电容器。 9 、现场参数的调整及显示：可在现场设置投切电压区问值，投切延时值， 殴罱电流互感器变比等，现场显示电网运行参数，比如电压、电流、功 率因数。 二、运行数据采集及传送功能 l 、数据采集：采集电网三相电压值，三梢电流值。 2 、数据汁算：有功功率、无功功率、无功因数、有功i 乜度、无功电度、电 压谐波含量。 3 、高速无线通信接口，能对无功补偿的数据记录作就地抄录。同时也具备 远程数据通信接口( r s 4 8 5 ) 。 三、测量精度 1 、电压、电流：o 5 级。 2 、有功功率、无功功率、功率因数：1 0 级 第二节控制器的硬件结构 图4 1 控制器结构原理蚓 北i 。业人学坝i 学位论义 豫9 t l 章无功补偿抑制器耻什i u 路i 5 i 控制器需要检测的信号共有六路，采样速率必须较高，同时由于采样的精 度要求也较高，系统需选用高精度高速率的a i d 转换模块。采样任务重，计 算与控制的工作量相应也就比较大，做为控制核心c p u 的处理速度也需要比 较快。可选用内部集成高速高精度a d 的m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，该处理器将在一f 节r ” 进行简略介绍。为了保证控制器与外部的交互，硬件设计中还必须有通信电路。 除此之外，时钟电路、存储电路、驱动电路、接口电路、电源电路也是控制器 所必须的。 整个控制器的结构组成如图4 1 所示。 第三节信号调理电路设计 信号调理电路主要完成强电信号与弱电信号之间的隔离和变换，该电路包 括互感器信号转换电路、电流信号放大电路和电平提升电路。