毕业设计—针对低压电网设计的无功补偿智能控制器.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书摘 要电网向用电设备提供的负载电流由有功电流和无功电流两部分组成，无功电流在电网和负载之间往复交换，大大占用电网供电容量，使供电设备的供电能力大大下降。动态无功功率补偿装置的基本原理就是用装置产生的容性无功电流实时、快速、准确地抵消电网中的感性无功电流，从而提高了功率因数，保证了用电质量，提高了供电设备的供电能力，并减小了电路中的损耗。因此无功功率补偿在电力系统中是一项重要的工作，根据企业的自身实际需要通过自动投切电容器来达到无功补偿的效果，以此达到保证功率因数质量的目的。本次设计原理是以功率因数和电压为考虑对象综合决策制定投切电容器，并通过控制单元检测电压，电流，计算功率因数和无功功率，然后与电压，无功功率上下极值相比较 ，最后作出控制决策（投入或切除电容）。本次设计针对360KVAR配电系统提出的无功补偿需要而设计的一套无功补偿智能控制系统，而且结合接触器投切准则。同时，由于无功量增加会导致电压的抬高，因此本文采取电压，无功补偿量的综合考虑控制方式来进行电网的无功补偿。关键词： 无功功率，无功补偿，控制器，接触器，功率因数AbstcactPower grid to electrical equipment by the load current provide meritoriouselectric current and reactive current two parts, reactive current between grid and load in reciprocating exchange, greatly occupies grid power supply capacity to make power equipment power supply dramatically reduced. Dynamic reactive power compensation device with the basic principle is the deice producing capacitive reactive current real-time, quickly and accurately offset the perceptual reactive current power, thereby improving power factor, and to ensure the quality of power supply equipment, improved the power supply, and reduce the loss of a circuit. So reactive power compensation in power system is an important work, according to the enterprise itself actual need through auto-switching capacitor to achieve the effect of reactive power compensation, to ensure the quality of power factor of purpose. The design principle is to consider the voltage of power factor and comprehensive decision-making object, and through cast cut capacitor control unit testing voltage, current, computational power factor and reactive power, then, reactive power and voltage fluctuation extremum, compared to control decision-making (last invested or resection capacitors).360KVAR distribution system for the design of reactive power compensation need to put forward a set of designed reactive power compensation, and intelligent control system with contactor threw cutting criteria. At the same time, because of reactive power will lead to increased raised, so this paper voltage and reactive power compensation taken voltage considering control the amount of ways to power grid of reactive power compensation.Keywords: Reactive power , reactive power compensation, the controller, contactors, power factor目 录摘 要1Abstcact2目 录31 绪论51.1 课题介绍51.2 几种无功补偿方法比较61.3无功补偿及装置的特点与意义71.3.1无功补偿分类71.3.2无功补偿装置的分类71.3.3 无功补偿装置性能对比91.3.4 无功补偿的意义111.4 本文的研究内容112 低压无功补偿自动控制基本原理122.1 概述122.1.1 无功补偿基本原理122.1.2无功补偿方案比较142.1.3无功补偿装置控制方式的比较152.1.4功率因数控制与无功功率控制162.2无功补偿电容选择172.3 相位角检测原理182.4 无功补偿自动投切控制的意义193 低压无功补偿设计和参数计算203.1无功补偿装置的概念和意义203.2补偿容量的确定方法213.3低压无功补偿器件的选型233.3.1低压无功补偿设备的组合元件233.2.2三大部件的选型244 360kVar低压无功补偿装置的整体设计284.1低压无功补偿装置的设计思路284.2 低压无功补偿装置功能要求284.3 低压无功补偿装置的原理图284.4 控制器的概述304.4.1控制器的选型304.4.2 控制器的主要特征304.4.3控制器的主要技术参数314.4.4控制器功能实现314.4.5故障与排除324.5 接触器的概述334.5.1 接触器的选型334.5.2 接触器的结构和特点334.5.3 接触器的主要技术参数334.5.4 接触器的接线344.6 电容器和电抗器的概述344.6.1 无功补偿电容器的选择344.6.2 无功补偿电抗器的选择354.7 补偿装置的控制策略364.8 投切方式374.9 低压无功补偿装置接线图37总结41致 谢42参考文献431 绪论1.1 课题介绍无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗、稳定电压、提高供电质量、提高系统输电稳定性和输电能力、平衡三相负载的功率等。因此，无功功率补偿就成为保证电网高质量运行的重要手段之一，也是电力系统研究领域的一个重大课题。我国与世界上的发达国家相比，在功率因数和补偿深度方面还有较大差距，因此在配电网改造中推广无功补偿技术是一个值得关注的实际课题。近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。由于无功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。所以在电力系统中要保持无功功率就地平衡，就需要装设无功补偿设备，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义，我国规定功率因数必须治理达到0.95以上。同时随着计算机技术的发展，工业自动化程度的不断提高，面对现场设备无功的波动，原始的固态无功补偿无法满足现代大生产的需要，因此对无功补偿的及时以及智能自动化要求提出了更高的要求，本课题就是针对低压电网设计的无功补偿智能控制器。(1)无功补偿的重要性在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不间断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。其次实现配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性;可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据,因此而能够提高整个电力系统的经济效益,提高整个电网的管理水平。这其中主要包括了：可靠性要求；保证良好的电能质量；保证电力系统运行的经济性。电压和频率是描述电能质量的两个重要指标。我国规定供电电压允许偏移值是额定值+5%-7%额定频率是50赫兹，允许偏移值是额定值的（0.20.5）赫兹。如果整流负荷的大量出现对电力系统的波形产生较大的影响，甚至波形畸变，影响电气设备安全和运行。电力系统能耗占用国民能耗的比重大，所以电能质量达到一定标准的前提下降低各环节能耗及电力网输配电功率损耗以获得最大的经济效益。,电力系统电压水平依靠无功功率电源维持。(2)电力系统安全控制原则根据中华人民共和国电力行业标准电力系统安全稳定控制技术导则中对于电力系统安全的要求，电力系统安全控制应当遵循以下列几项原则：（一）、安全监控原则；（二）、功率分析原则；（三）、安全控制功能原则。在最大限度满足生产要求和控制要求的前提下，电力系统的控制设计不仅要求方案简单、经济合理、不盲目追求高指标，而且要正确合理的使用电器元件，确保系统长时间工作的可靠性。另外，如果考虑到以后生产发展和工艺改进，选择控制设备时应当保留一定的裕量在电力系统中，所有的用点设备要从电源中获得足够的无功功率建立正常磁场，如果用电设备不能维持额定情况，则端电压下降，无法正常生产。在实际中，发电机和高压输电线给的无功功率远远满足不了负荷需求，所以在电网中设置无功功率补偿设备。无功补偿装置可以改善电能质量，降低电能损耗，但是在确定无功补偿容量时要注意在轻载负荷时避免过补偿，造成倒送无功功率反而使功率损耗增加。此外，功率因数越高，无功量越大，相应的会抬高电压，因此功率因数提高到0.95为合理补偿。1.2 几种无功补偿方法比较无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率型、无功电流型。（1）功率因数型这种控制方式是传统的方式，采样、控制也都较容易实现.功率因数用表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。当=1时，线路中没有无功损耗,提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式在运行时既要保证电力系统稳定，同时又要兼顾无功补偿效果，这就局限了控制器要牺牲无功补偿保全电压，同时配合开关的延时动作，使电力系统在较好的状态下工作。（2）无功功率型 无功功率（无功电流）型的控制器有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测，这类控制器一般都具有完备的控制功能，由于是无功型的控制器，也就可以补偿装置的效果充分的发挥。如线路在重负荷时，哪怕已达到0.99，只要再投一组电容器不会发生过补，就还会再投入一组电容器，使补偿效果达到最佳的状态。（3）用于动态补偿的控制器用于动态补偿的恶控制器要求更高了，一般是与触发脉冲形成电路一并考虑，要求控制器抗干扰能力强，运算速度快，更重要的是通过开关的瞬时投切很好的完成动态补偿功能。由于这类控制器也都基于无功型，所以它也具备静态无功型的特点。1.3无功补偿及装置的特点与意义1.3.1无功补偿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)低压无功补偿是将电力电容器分散地装设在各个车间或用电设备附近，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，低压成组补偿是将并联电容器装设在车间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中补偿范围大，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。一般在中小型工厂应用较多。(2)与低压无功补偿性质相比，中高压无功补偿主要应用三相并联电容集中架设在高压变配电所的高压母线上自动补偿。虽然这种补偿方式只能补偿高压母线电源方向线路上的无功功率，补偿方式的经济效果较差，但是由于三相电容自动补偿适合三相负载平衡的供电系统。三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时调节无功功率参数的信号可以取自任何一相。而且，三相同时投/切可以保证三相电压质量而且投入成本较低。拥有大量三相用电设备的厂矿企业中广泛选用三相电容补偿技术。1.3.2无功补偿装置的分类现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型:一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR: Saturated Reactor)；第二类是晶闸管控制电抗器(TCR: Thyristor Control Reactor) ； 第 三 类 是 晶 闸 管 投 切 电 容 器 (TSC: Thyristor Switch Capacitor)。(1)具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR)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。早在 1967 年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司(GE)也制成了这样的无功补偿装置。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，铁心损耗大，比并联电抗器大 2-3 倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。(2)晶闸管控制电抗器两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图 1-1 所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为 90180。当触发角 =90时，吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式:BL = BL max(- sin )/ 和 BL max=1/ XR （1-1）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。在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃朗鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高电压输电系统的无功补偿。图 1-1 TCR 补偿器原理补偿由于单独的 TCR 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 TCR 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 TCR 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和 TCR 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有 TCR 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 BBC 公司生产的 TCR-FC-MSC 型的 SVC，其控制范围为 120Mvar。由于固定电容器的 TCR+FC 型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是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己吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC+MSC 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。(3)晶闸管投切电容器(TSC)为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC 装置应运而生。其单相原理如图 1-2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。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，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-1 个电容值为 C 的电容和一个电容值为C/2 的电容组成 2K 级的电容器组数。TSC 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间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，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。TSC 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。瑞典某钢厂两台 100T 电弧炉，装有 60Mvar 的 TSC 后，有效地使 130kV 电网的电压保持在 1.5%的波动范围。运行实践证明此装置具有较快的反应速度(约为 5-10ms)，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 TSC 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，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 TSC 装置一般与电感相并联，其典型设备是 TSC+TCR 补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不会流入电网，大大减小了谐波。图 1-2 TSC 型补偿器原理1.3.3 无功补偿装置性能对比以上所介绍的几种无功补偿装置，从控制投切开关类型可以分为两类：一类是采用断路器控制，另一类是采用晶闸管控制，不同 SVC 性能比较见表 1-1 所示。从对比表中可以看出，没有任何一种 SVC 可以万能满足所有无功功率补偿的要求。选择特定范围的 SVC 通常基于如下几个因素：应用的要求、响应速度、运行的频率、损耗、投资成本等，不过根据这两类无功补偿装置的特点，总起来说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间短，通常能在一个周波(即 20ms)内动作，动作时无火花，更安全可靠，寿命长。而断路器开关在费用上又优于晶闸管，因此在上也并没有被晶闸管开关完全取代。表 1-1 各种无功补偿开关性能对比 项目项目序号指标SR/FCFC-TCRTSC1控制范围容性和感性容性和感性容性2控制性质连续，内在连续，外加级差，外加3谐波产生最小，最低次为17次小，需滤波器无4 控制能力电压控制有限好有限辅助稳定信号无好无按相控制有限好有限5响应时间快，与系统、频率校正电容器、滤波器有关快，与系统和控制有关快，与控制有关6过电压、过负荷能力很好，受频率校正电容器限制较小无7损耗较小，随滞相电流的增大而增大较小，随滞相电流的增大而增大小，随超前电流的增大而增大8投入系统快而直接，有暂态过程在控制作用下快，暂态分量极小有暂态过程1.3.4 无功补偿的意义(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数(2)减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数=0.8增加到cos4=0.95时,装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之,增加0.52KW.对原有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资. (3)降低线损,由公式P%=(1-cos/cos) 100%得出其中为补偿后的功率因数,为补偿前的功率因数则所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.1.4 本文的研究内容当前，在农网、城网改造建设中都需要无功补偿装置，无功补偿更广泛地应用于工矿、医疗、科研、企业、油田、煤矿、港口、居民小区、公用设施等需要低压无功快速补偿的电力用户。采用电力电容器进行无功补偿是节能降损、改善电网电压质量最方便、最经济有效的方法之一，这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。随着电网自动化的发展，国家电力公司要求推广无人值守的变电站，因此需要装设电压、无功补偿综合自动调节的装置，真正实现变电站的自动化和无人值班。本文正是基于马钢耐火材料公司的供电系统的特点和改造工程低压无功补偿电控柜项目的技术要求，设计一种以接触器为投切开关的低压无功补偿装置，该装置具有较高的经济适用性。根据采用接触器投切的方法，并设计出低压无功补偿器的电容器和电抗器，设计三相电容器保护，设计出电容器、限流电抗器参数等。2 低压无功补偿自动控制基本原理2.1 概述电网向用电设备提供的负载电流由有功电流和无功电流两部分组成，无功电流在电网和负载之间往复交换，大大占用电网供电容量，使供电设备的供电能力大大下降。动态无功功率补偿装置的基本原理就是用装置产生的容性无功电流实时、快速、准确地抵消电网中的感性无功电流，从而提高了功率因数，保证了用电质量，提高了供电设备的供电能力，并减小了电路中的损耗。根据马钢马钢耐火材料公司的供电系统的特点，选择无功补偿方案，采用多支路投切的方法，并设计出低压无功补偿器的电容器和电抗器。2.1.1 无功补偿基本原理电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能。电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90。在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小, 从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理。对于电阻负载R，由于电压电流变化一致，所以u-i=0，即0，=0。电路消耗能量。如图（2-1）图2-1 纯电阻的电压与电流波形对于感性负载L，电压超前电流90，如图（2-2）。 图2-2 感性负载电压电流波形图对于容性负载，电压之后电流90，=，如图（2-3）。图2-3 容性电压电流波形图由上分析我们可知电感电容性负载不消耗能量，在实际的生产中由于负载多为感性，引起电压超前电流，使电网中无功分量增加，导致有功分量下降，降低用电效率，电容无功分量为负表明了电容器在电路中不但不消耗电能量,而且可以补偿电感引起的无功分量的损失从而保证了电网输配电中正常所需要的无功分量。因此如何补偿无功功率是我们下面研究的内容。把具有容性功率负荷装置与感性功率负荷并联在同一电路，能量在两者之间相互转化，这样感性负荷所需的无功功率可由容性无功功率补偿。无功功率在能量转换过程中建立交变磁场，由能量守恒得到一周期内吸收和释放的功率是相等的。图2-4 无功补偿原理图（S视在功率， ；P有功功率，；Q无功功率, ）在右图中我们可以看到，当功率因数角增大是，功率因数值减小，则Q值增大，也就是说当功率因数角越小，无功补偿量越小，有功功率越大。可以得到这样的结论：无功补偿量的大小决定于功率因数角的大小，则提高功率因数的途径就是通过无功补偿电容器的投入和切除的方法来控制无功补偿量以期尽可能减小电压与电流相位差。同时，如果无功功率不是由电容提供则必然由输电系统提供，这样也就无疑要增加变压器和供电线路容量，也就增加了供电损耗。因此，在设计无功设备时，要做到无功补偿量随着负荷和电压变动及时投入或切除，准确稳定提高功率因数。通过单片机对检测数据的分析判断输出控制信号，自动判断电容投/切值，达到及时检测，在线监控与补偿电容的投/切控制，做到合理准确进行无功补偿，实现方法如图（2-5）图2-5 无功补偿原理2.1.2无功补偿方案比较配电网无功补偿方案有变电站集中补偿、配电变低压补偿、配电线路固定补偿和用电设备分散补偿。 (1)变电站集中补偿 变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但这种补偿方案对10kV配电网的降损不起作用。鉴于变电站无功补偿对提高高压电网功率因数，维持变电所母线电压和平衡系统无功有重要作用，因此应根据负荷的增长安排、设计好变电站的无功补偿容量，运行中在保证电压合格和无功补偿效果最好的情况下，尽可能使电容器组投切开关的操作次数为最少。(2)配电变低压补偿 配电变低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大，通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿，总补偿容量在几十至几百千乏不等。目的是提高低压变用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量。配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好。但由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工程的投资较大，运行维护工作量大。另外，配电系统负荷情况复杂，系统存在谐波、三相不平衡，以及防止出现过补偿等问题。(3)配电线路固定补偿 大量配电变压器要消耗无功，很多公用变压器没有安装低压补偿装置，造成的很大无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿。线路补偿既通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。由于线路补偿远离变电站，因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，线路补偿的补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压保护。除此还存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，线路补偿的补偿点不宜过。2.1.3无功补偿装置控制方式的比较随着工业现代化的发展，生产过程自动化水平的提高，电动机拖动等需要大量滞后无功功率的设备被广泛应用。任何事物都有其两重性。我们知道无功功率既不做功也不消耗，只是在电网中流动做能量交换的媒介。但这些在电网流动的无功电流却因为导线电阻的存在而产生大量无功损耗，使电网的传输能力下降。无功功率补偿装置是解决这一问题的有效方法。无功功率补偿装置到目前已经有静态补偿、动态补偿装置, 其控制方式有: 功率因数控制、 无功功率( 无功电流) 控制等多种控制方式。(1)无功功率补偿图 1是对无功功率进行补偿的原理。图中, 、 、分别是补偿前的有功电流、 无功电流、总电流、 功率因数角; 、 、 分别是补偿后的有功电流、无功电流、总电流、功率因数角; i c是补偿装置提供的补偿电流。若补偿前后的有功电流不变, 即 =, 而补偿前后的无功电流有如下关系, 即=-。从图 1中可以看出, 补偿前, 电压 u和电流的相位角较大, 功率因数较低。 当投入补偿后, 由于补偿电流与无功电流的相位相反, 其结果是 i q 1 被 i c抵消掉一部分, 成为 i q 2 , 这时的电压 u和电流的相位角比小得多, 功率因数比大大提高, 无功电流大为减小。无功功率补偿装置就是基于该原理进行设计与制造的。(2)静态无功补偿静态无功补偿, 顾名思义, 它的补偿是相对稳定的, 也就是说, 它对无功功率的补偿量是固定的。最简单的静态无功补偿如图 2所示。图2中, M代表需要滞后无功功率的用电设备, K2和C是用于向M提供无功的无功补偿装置。当K1闭合使M运行时,M从电网吸取有功功率和无功功率为减少电网中的无功水平,我们将闭合用中的超前电流补偿中的滞后电流,完成无功补偿任务。由于C的补偿容量是固定的,它不能随着实际无功的变化而变化。因此，它适用于无功变化不大的场合。但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图3所示的补偿装置显然无法满足要求。图 3所示的电路是实用的无功功率补偿装置原理图。图 3所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，并根据该变化控制补偿电容器组的投切 达到按实际需求的无功量进行补偿的目的。无论是图 2电路还是图3 电路，电容器组的投切都是靠接触器K来完成的,由于受所用器件固有特性的限制,在控制器检测到无功的变化需要增投或切除补偿电容器组时,要延时一定的时间再进行投切。因此，静态无功补偿也就是延时投切式无功补偿。(3)动态无功补偿由于静态无功补偿是延时投切式，这也就决定了它在无功变化很快且很大的情况下，满足不了实际要求。为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生。图4便是动态无功补偿装置原理图。图4与图3比较可见,电路结构是一致的,由动态补偿控制器和无功功率调节器来控制晶闸管的快速通断,实现对电力电容器的无涌流投切。这一元件的改变,使得整个补偿装置的性能得到了质的飞跃,使1个电容器组的投切时间由几百s缩短到二三十ms,也就是说在一二个周波内就完成了1个电容器组的投切 从而做到了无功的补偿量快速跟随实际需求量的变化。2.1.4功率因数控制与无功功率控制无论是静态无功补偿，还是动态无功补偿，都需要1个控制器来完成电网参数的测量计算，控制电容器组的投切。以接触器作开关元件的静态无功补偿装置，控制器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管作开关元件的动态无功补偿装置，控制器发出的是晶闸管的触发信号。无功补偿有功率因数控制和无功功率（无功电流）控制2种方式.下面介绍2种方式的特点。(1)功率因数控制功率因数控制就是以功率因数满足要求为控制目标。用无功补偿装置进行补偿， 使供电电网的功率因数满足要求。参照图1。假设补偿前的参数是有功电流，无功电流，总电流，功率因数 。我们将定为投门限，当控制器检测到当前的功率因数值小于0.9时，发出指令，投入一电容器组进行补偿。补偿后的参数为有功电流，=，无功电流，功率因数。我们又将切除门限设为1.0。当控制器检测到当前的功率因数值大于1.0时，发出指令，切除一电容器组。当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时 则保持不变。功率因数式控制器通过对电网的电压，电流进行采样检测，析计算出当前的功率因数值。用当前的功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是投入，切除，还是保持不变。功率因数式控制器当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时 则不论实际的无功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。功率因数值是一个比例值，所以在重负荷时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。用图5以很清楚地说明重载时的情况。图5中，负载大于负载，无功也大于，而这时的功率因数却是相同的。虽然与的差值大于1或几个电容器组的补偿量，但却由于此时的功率因数满足要求而不会去投入。功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。图6明了轻载振荡的情况。图6 中是轻载时的有功电流，是与之对应的无功电流，且要小于1个电容器组的补偿量。由于负载很轻。这时的功率因数很低。按照补偿原理应投入。个电容器组。用该组电容器的超前电流，去进行补偿，补偿的结果是得到了超前的功率因数 功率因数只要一超前，就要立即切除一电容器组。而切除1功率因数又不够，因此形成振荡。(2)无功功率(无功电流)控制针对功率因数控制的问题 出现了以系统中的无功功率（无功电流）为被控制对象，即无功功率（无功电流）控制方式。控制器对电网的电压，电流进行采样检测，计算出当前的无功功率（无功电流）值。若当前值大于1电容器组的补偿值，则投入1容器组.若前值超前，则切除1容器组。本方法补偿的结果是使电网中的无功功率（无功电流）始终保持在一个较低的水平上。图7所示是无功功率（无功电流）控制的补偿效果示意图。由于本方法的控制对象是无功功率（无功电流），而无功功率（无功电流）又始终保持在一个较低的水平上。因此，不会出现功率因数控制方式所出现的重载时功率因数满足要求，但无功电流很大，而轻载时又容易产生投切振荡的问题。2.2无功补偿电容选择并联电容器装置设计规范(GB 50227-95)规定): “低压并联电容器装置的安装地点和装设容量,应根据分散补偿和降低线损的原则配置”这和第3.0.2条“,电容器安装容量可按变压器的容量的10%30%确定。”相比,可以发现规范对低压并联电容器装置中的电容器容量没有硬性规定,需要计算后才能确定容量。配电变压器消耗的无功功率可按下式计算 ： 1式中 I0 _变压器的空载电流UK_短路阻抗SN_额定容量_负荷容量与额定容量之比负载率。从1式可知,当变压器无负载空载时 2式2说明变压器空载时,变压器消耗的无功功率只与变压器的空载电流和容量有关。且是一不变数。当从0变化到1时,将随着的增大而增大,最大为： 3也就是说,变压器本体所需的无功功率最大值与变压器的阻抗电压有关。当变压器的负载容量为S1时,功率因数为,变压器负载所需的无功功率为 当负载容量不变,功率因数由提高到时，需补偿的无功容量为： 4在城网中,自然功率因数按，当目标功率因数提高到时,补偿容量为： 5综合1与5式,当自然功率因数和目标功率因数一定时,带负载所需补偿的无功容量为： 6式6中第一项为变压器固定补偿,第二项为变压器可变补偿,第三项为改善该变压器所带负荷的功率因素所需的无功补偿容量。从式6可见,在变压器容量一定时, 取决于变压器的负载率。配电变压器的负载率可能每一时刻都不一样,随季节、时段的变化相差很大, 实际上是平均负载率,可以通过大量的负荷实测数据和综合测试仪的数据进行统计得出。2.3 相位角检测原理本方案控制器是基于功率因数的检测来确定无功补偿量，角相电压和相电流的相位差，由于Q直接与的余弦值COS即功率因数成反比，所以对的准确且即时的检测将影响控制器的无功补偿精度。考虑到在电压电流相位相差不大时，或鉴于检测变送元件本身检测精度的限制而不能准确检测无功功率，而引起误差,因此为保证无功功率的准确补偿,采取对的检测是很有必要的。检测原理如下图2-6 图2-6 角检测原理图因为，功率因数=, (2-7)因此对正弦函数sin的控制和检测也就实现了对无功功率的控制。2.4 无功补偿自动投切控制的意义无功补偿方法通常有调相法TCR，TSC，SVC，他们都是采用晶闸管作为开关，投切电容器组、实现无功补偿的装置，由于工厂使用大量的非同步电气设备，无功功率损耗变化大、不稳定，负载具有快速或极快的无功功率变化。此外大量的电动机启动电流需要集中补偿。电动机启动期间电流消耗量为正常工作的6-7倍，启动电流大部分是无功分量，用常规的PFC系统无法补偿导这就会致很大的电压跌落。发电机没有足够的容量经受住负载的变化，在某场合下负载变化比较大，发电机工作于容性负载而常规无功补偿系统来不及关断，可引起发电机输出电压瞬时跌落、或者过激励将使发电机电压抬高，这将危及其他负载及电容器。此外钢铁厂的工作周期内需要大量无功能量，过高的无功电流损耗可以在变压器的高压侧和低压侧导致明显的电压降落，对于功率因数低、大型电感性负载变化而对其它设备的正常运转造成影响的场合，因此采用自动无功补偿，通过控制器发出电容投切信号，动作真空接触器，完成无功补偿。自动无功补偿是通过单片机的快速检测能力和自动控制作用完成对负载波动较大的场合的无功补偿的目的。采用自动无功补偿装置可以达到稳定电压，提高负荷能力，滤除谐波，达到节能提高经济效益的目的。3 低压无功补偿设计和参数计算3.1无功补偿装置的概念和意义将电容器与感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法，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。能量就只在它们之间交换，即感性负荷(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。在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，设(2-1)甲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占线路视在功率S的百分数。在电力网运行中，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。 a) 电路 b)相量图（欠补偿） c)相量图（过补偿）图2.1 并联电容补偿无功功率的电路和相量图 将R、L电路并联电容C后，电路如图2.1 (a)所示，该电路电流方程为。由图2. 1(b)的相量图可知，并联电容器后电压和电流的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿，其相量图如图2. 1(c)所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。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 （2-2） 而 （2-3）功率因数还可以表示成下述形式 （2