无功补偿与静止无功补偿器 论文.doc

摘摘要要 1 ABSTRACT 2 第第 1 章章 引引言言 3 1 1 无功补偿概述 3 1 2 无功补偿的意 义和经济效益分析 3 1 3 无功补偿的降损节能效应 5 1 4 无功补偿应用领域 7 1 5 无功补偿的一般方法 9 第第 2 章章 无无功功补补 偿偿 原原理理 10 2 1 引言 10 2 2 无功功率及功率因数的基本含义 10 2 3 无功补偿的基本原理 11 第第 3 章章 无无功功补补偿偿点点的的确确定定及及补补偿偿方方法法 15 3 1 无功补偿点的确定 15 3 2 无功补偿容量计算与确定 17 3 3 无功补偿的方法 20 第第 4 章章 静静止止无无功功补补偿偿器器 25 4 1 常用静止无功补偿器及其工作原理 25 4 2 饱和电抗器静止无功补偿装置 25 4 3 晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器 26 4 4 无功补偿方式比较 28 第第 5 章章 SVC 工工作作原原理理 33 5 1 动态无功补偿器的工作原理 33 5 2 SVC 工作原理 33 5 3 SVC 系统结构 34 第第 6 章章 基基于于 MATLAB 的的 SVC 仿仿真真平平台台设设计计 35 6 1 节点图 35 6 2 静止无功补偿器对于远近负载的补偿能力 36 6 3 发电站忽然并网 39 6 4 加大电感 大电容 负载 42 参参考考文文献献 47 致致谢谢 48 1 摘摘要要 用电管理的意义就是能够给用电客户端提供平稳的电能质量 电压是电能质量的重 要指标之一 电压质量对电网稳定及电力设备安全运行 线路损失 工农业安全生产 产品质量 用电单耗和人民生活用电都有直接影响 无功电力是影响电压质量的一个重 要因素 电压质量与无功是密不可分的 电压问题本质上就是一个无功问题 解决好无 功补偿问题 具有十分重要的意义 根据无功功率的平衡原则 依据无功补偿的原则 介绍无功补偿技术对低电压电网功率因素的影响 通过无功补偿和电压调节 使无功功 率得到了自动实时补偿 实现从离线处理到实时处理 从就地平衡到全网平衡 从单独 控制到集中控制 避免了人工监视 手动投切的各种弊端 无功电力是影响电压质量的 一个重要因素 电压质量与无功是密不可分的 可以说 电压问题本质上就是无功问题 解决好无功补偿问题 具有十分重要的意义 关键词 无功功率 补偿 SVC 电压稳定 2 A Ab bs st tr ra ac ct t The significance of power management lies in providing electricity client with smooth power quality the voltage is one of the important indexes of electric power quality and the quality of it will directly affect Power system stability and Safe operation of electrical equipment line loss Industry and agriculture safety in production electricity consumption and the people s power consumption Reactive power is one of the important factors to influence the quality of voltage and it is also inseparable with voltage quality Essentially speaking voltage problem is a reactive problem It is of vital significance to solve the problem of reactive compensation According to the principle of reactive power balance and the principle of reactive power compensation we will introduce the effect of the reactive power compensation technology to low voltage grid power Through the reactive compensation and voltage regulation reactive power can get automatic and immediate compensation which achieves automatic real time from offline processing to real time processing from on site balance to hyper balance from control alone to centralized control and all of these avoid all kinds of disadvantages such as the artificial surveillance Manual switching Reactive power is one of the important factors to influence the quality of voltage voltage quality and Reactive is inseparable Voltage problem is essentially a reactive problem It is of vital significance to solve the problem of reactive compensation Key words reactive power compensation voltage stability 3 第第 1 1 章章 引引言言 1 1 1 1 无无功功补补偿偿概概述述 电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系 无功功率是电力系统 一种不可缺少的功率 大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗 要求系统提供足够的无 功功率 否则电网电压将下降 电能质量得不到保证 同时 无功功率的不合理分配 也将造成线损增加 降低电力系统运行的经济性 1 电网中无功不平衡主要有两方面的原因 一方面是输送部门传送的三相电的质量不 高 一方面是用户的电气性能不够好 这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在 在电力系统中 电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标 为确保电力系统的正 常运行 供电电压和频率必须稳定在一定的范围内 频率的控制与有功功率的控制密切 相关 而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制 现如今大部分用电设备为感性负载 自然功率因素较低 用电设备在消耗有功功率 的同时 还需无功功率由电源送往负荷 功率因素是供用电系统的一项重要技术指标 通过合理采用无功补偿技术 可以减少无功功率在电网中的流动 为了提高企业无功功率补偿装置的经济效益 减少无功补偿的流动 无功补偿应遵 循就地补偿 就地平衡的原则 以满足需要 借助于无功补偿设备提供必要的无功功率 以提高系统的功率因素 降低能耗 改善电网电压质量 1 1 2 2 无无功功补补偿偿的的意意义义和和经经济济效效益益分分析析 交流电在通过纯电阻的时候 电能都转成了热能 而在通过纯容性或者纯感性负载的 时候 并不做功 也就是说没有消耗电能 即为无功功率 当然实际负载 不可能为纯容性负 载或者纯感性负载 一般都是混合性负载 这样电流在通过它们的时候 就有部分电能不做 功 就是无功功率 此时的功率因数小于 1 为了提高电能的利用率 就要进行无功补偿 无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数 降低供电变 压器及输送线路的损耗 提高供电效率 改善供电环境 所以无功功率补偿装置在电力 供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置 合理的选择补偿装置 可以做到最大 限度的减少网络的损耗 使电网质量提高 反之 如选择或使用不当 可能造成供电系 统 电压波动 谐波增大等诸多因素 在大系统中 无功补偿还用于调整电网的电压 提高电网的稳定性 在小系统中 通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流 按照 wangs 定 理 在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流 因此 对于三相电流 不平衡的系统 只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器 4 不但可以将各相的功率因数均补偿至 1 而且可以使各相的有功电流达到平衡状态 1 2 1 无功补偿意义 1 根据用电设备的功率因数 可测算输电线路的电能损失 通过现场技术改造 可使低于标准要求的功率因数达标 实现节电目的 2 2 采用无功补偿技术 提高低压电网和用电设备的功率因数 已成为节电工作的 一项重要措施 3 无功补偿 它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率 以提高系统的功 率因数 降低能耗 改善电网电压质量 稳定设备运行 4 减少电力损失 线损 一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况 其电力损耗约 2 3 左右 使用电容提高功率因数后 总电流降低 可降低供电端与用电端的电力损失 5 改善供电品质 提高功率因数 减少负载总电流及电压降 于变压器二次侧加 装电容可改善功率因数提高二次侧电压 6 延长设备寿命 改善功率因数后线路总电流减少 使接近或已经饱和的变压器 开关等机器设备和 线路容量负荷降低 因此可以降低温升增加寿命 温度每降低 10 C 寿命可延长 1 倍 7 最终满足电力系统对无功补偿的监测要求 消除因为功率因数过低而产生的罚 款 8 无功补偿可以改善电能质量 降低电能损耗 挖掘发供电设备潜力 无功补偿 减少用户电费支出 是一项投资少 收效快的节能措施 9 无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以及提高功率因数所带来的经济 效益和社会效益 确定无功功率的补偿容量 确保补偿技术经济 合理 安全可靠 达 到节约电能的目的 10 节能降耗 减少电力支出 经济效益明显 实现可持续发展 11 减少发电 供电设备的设计容量 减少投资 使有效投资最大化 1 2 2 无功补偿的效益 在现代用电企业中 在数量众多 容量大小不等的感性设备连接于电力系统中 以 致电网传输功率除有功功率外 还需无功功率 如自然平均功率因数在 0 70 0 85 之间 企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的 60 90 如果把功率因数提高到 0 95 左 右 则无功消耗只占有功消耗的 30 左右 由于减少了电网无功功率的输入 会给用电企 业带来效益 3 5 1 节省企业电费开支 提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的 因为国 家电价制度中 从合理利用有限电能出发 对不同企业的功率因数规定了要求达到的不 同数值 低于规定的数值 需要多收电费 高于规定数值 可相应地减少电费 可见 提高功率因数对企业有着重要的济意义 2 提高设备的利用率 对于原有供电设备来讲 在同样有功功率下 因功率因 数的提高 负荷电流减少 因此向负荷传送功率所经过的变压器 开关和导线等供配电 设备都增加了功率储备 从而满足了负荷增长的需要 如果原网络已趋于过载 由于功 率因数的提高 输送无功电流的减少 使系统不致于过载运行 从而发挥原有设备的潜 力 对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量 减少投资费用 在一定条件 下 改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低 因此 使用无功补偿不但减少初次 投资费用 而且减少了运行后的基本电费 3 降低系统的能耗 4 改善电压质量 对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数 减少线损 稳定电压 5 三相异步电动机通过就地补偿后 由于电流的下降 功率因数的提高 从而 增加了变压器的容量 1 1 3 3 无无功功补补偿偿的的降降损损节节能能效效应应 无功电源同有功电源一样 是保证电能质量不可缺少的部分 在电力系统中应保持 无功平衡 否则 将会使系统电压降低 设备损坏 功率因数下下降 严重时 会引起 电压崩溃 系统解裂 造成大面积停电事故 因此 解决电网的无功容量不足 增装无 功补偿设备 提高网络的功率因数 对电网的降损节电 安全可靠运行有着极为重要的 意义 当电网需要增设的确定后 即应按照 全面规划 合理布局 分级补偿 就地平衡 的总原则 进行合理的配置 以便取得最大的综合补偿效益 具体要求是 既要满足全 区 地区或县 的无功功率平衡 还要满足分区 供电区 分站 变电站 的无功平 衡 尽可能地使长距离输送的无功量小 最大限度地减少功率及电能损耗 集中补偿与 分散补偿相结合 以分散补偿为主 既要在变电站进行集中补偿 又要在配电线路及部 分用户进行分散补偿 但大部分补偿设备应配置在配电网络中 以实现就地就近补偿 电力部门补偿与用户补偿相结合 据统计分析 无功功率大约有 50 消耗在用户方 面 剩下的约 50 左右消耗在电力网的损耗上 因此 电力部门与用户共同进行补偿是 适宜的 降损与调压相结合 以降损为主 4 6 1 3 1 同步发电机 同步发电机既是有功电源 又是无功的主要电源 一般中 小型发电机的额定功率 因数为 0 80 0 85 即每供给万 kw 的有功功率 同时还供给 7 5 6 2 万 kw 的无功功率 如果发电机的有功输出未满载 在保证发电机的电压为额定电压 并且定转子电流不超 过额定值的条件下 发电机的无功出力还可以适当增加 5 1 3 2 输电线路的充电功率 架空线路的导线是平行排列的 导线之间形成电容 当电压加在输电线上时 线路 便产生充电电流 即使线路不接负载 也有电容电流流过 由于电容电流的存在 运行 中的输电线路将产生充电功率 影响沿线路各点的电压 输电功率和功率因数 因此 分析电力网的运行情时 必须计算线路的电容和充电功率 1 3 3 并联电容器 并联电容器 又称移相电容器 是一种无功电源 他的主要用余是补偿电力网中感 性负荷需要的无功 提高网络的功率因数 并兼有调压的辅助作用 并联电容器补偿的联结方式分为单相 三相星形 三相三角形三种 在实际接电中 为了满足补偿容量的需要 往往采用多台电容器并联或串联组成电容器组 若每台电容 器的容量均为 C0 则由 m 组并联 由 n 台串联组成的电容器组总容量为 C m n C0 并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比 当电网传输的无功较大 补偿点的 电压偏低 需要大量无功使电压恢复时 电容器发出的无功反而随电压的下降成平方关 系减小 促使电压更趋于下降 相反 当补偿点电压偏高 需要减少无功时 电容器随 电压升高而增发无功 又促使电压升高 电容器这种无功特性满足不了电网调压要求 为此 常用带负荷调压变压器与并联电容补偿配合使用的运行方式 如果没有带负荷调 压装置 一般是将电容器组分成若干组 实行分组投切 当电网电压降低或负荷功率因 数减少时 投入部分电容器组 反之 则切除部分电容器组 并联电容器由于具有设备简单 安装和维护方便 本身损耗低 节电效果显著等优 点 在电力网的无功补偿中得到广泛的应用 1 3 4 同期调相机 同期调相机实质上是和中空载运行的同步电动机 既是一种专用的无功功率发电机 他不带任何机械负载 仅从电网上吸收少量的有功功率以供给本身的损耗 调相机的主 要用途是发出无功功率 提高电网功率因数 改善电压质量 提高电力系统运行的稳定 性 由于调相机容量较大 只能集中使用 一般装于大型的枢纽变电站内 7 1 3 5 无功静止补偿装置 无功静止之补偿装置 静止补偿器 是一种技术先进 调节性能好的动态无功功 率补偿设备 主要由并联电容器组 可调饱和电抗器以及检测与控制系统三部分组成 静止补偿器兼有电容器和调相机二者的优点 既可在几个周波内快速完成调节 保持网 络电压稳定 增强系统的稳定性 静止补偿装置主要用于 具有冲击性负荷的大型工业 用户 在高压 超高压远距离输电线路末端 用于解决电压稳定问题 用于电网内的集 中调压措施 1 3 6 同步电动机的调相运行 同步电机调相运行是一种特殊的运行方式 即发电机不发有功 只发无功 主要作 用是补偿电网的无功不足 1 3 7 同步电动机进相运行 同步电动机是一种无功补偿设备 主要带机械负荷 它有两种运行方式 迟相运行 欠励磁运行 功率因数滞后 从电网吸收无功 进相运行 过励磁运行 功率因数 超前 向电网输送无功 同步电动机造价较贵 维护较复杂 只有大容量时才采用 1 3 8 异步电动机的同步化运行 一般的绕线式异步电动机 可以改为同步化运行 向电网提供无功 其无功出力可 以达到其额定有功功率的 80 以上 但改造费较高 不经济 有功损耗增加 运行稳定 性较差 1 1 4 4 无无功功补补偿偿应应用用领领域域 1 4 1 电弧炉作为非线性及无规律负荷接入电网 将会对电网产生一系列不良影响 其中主要影响有 导致电网三相严重不平衡 产生负序电流 产生高次谐波 其中普遍 存在如 2 4 偶次谐波与 3 5 7 次等奇次谐波共存的状况 使电压畸变更为复杂化 存 在严重的电压闪变 功率因数低 6 SVC 具有快速动态补偿 响应速度快的特点 它可向电弧炉快速提供无功电流并且 稳定母线电网电压 最大限度地降低闪变的影响 SVC 具有的分相补偿功能可以消除电弧 炉造成的三相不平衡 滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来 提高功率因数 1 4 2 轧机及其他大型电机对称负载引起电网电压降及电压波动 严重时使电气设备 不能正常工作 降低了生产效率 使功率因数降低 负载在传动装置中会产生有害的高 次谐波 主要是以 5 7 11 13 次为代表的奇次谐波及旁频 会使电网电压产生严重畸 变 安装 SVC 系统可解决上述问题 保持 8 母线电压平稳 无谐波干扰 功率因数接近 1 1 4 3 城市二级变电站 66kv 10kv 在区域电网中 一般采用分级投切电容器组的 方式来补偿系统无功 改善功率因数 这种方式只能向系统提供容性无功 并且不能随 负载变化而实现快速精确调节 在保证母线功率因数的同时 容易造成向系统倒送无功 抬高母线电压 危害用电设备及系统稳定性等问题 TCR 结合固定电容器组 FC 或者 TCR TSC 可以快速精确的进行容性及感性无功补偿 稳定母线电压 提高功率因数 并且 在改造旧的补偿系统时 在原有的固定电容器组 的基础上 只需增加晶闸管相控电抗器 TCR 部分即可 用最少的投资取得最佳的效果 成为改善区域电网供电质量的最有效方法 1 4 4 电力机车供电 电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重的 污染 因电力机车为单相供电 这种单相负荷造成供电网的严重三相不平衡及较低 的功率因数 目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装 SVC 系统 通过 SVC 的分相快速补偿功能来平衡三相电网 并通过滤波装置来提高功率因数 1 4 5 矿用提升机 提升机作为大功率 频繁启动 周期性冲击负荷以及采用硅整流 装置对电网造成的无功冲击和高次谐波污染等危害不仅危及电网安全 同时也造成提升 机过电流 欠电压等紧停故障的发生 影响了矿井生产 因此对提升机供电系统进行无 功动态补偿和高次谐波治理 对于提高矿井提升机和电网的安全运行可靠性 提高企业 的经济效益意义巨大 提升机单机装机功率大 在矿井总供电负荷中占的比重较大 伴随煤矿生产规模的 扩大 井筒的加深 要求配套的提升机装置容量也越来越大 单机容量已达到 2000 3000kW 有的甚至达到 5400kW 单斗提升装载量达 34t 这么大的负载启动将对 电网造成很大的冲击电流 无功电流成分较大 功率因数较低 所以大功率提升机对供 电电网的容量和稳定性要求更高 其中大功率提升机主要的问题是 引起电网电压降低及电压波动 高次谐波 其中 普遍存在如 2 4 次偶次谐波与 3 5 等奇次谐波共存的状况 使电压畸变更趋复杂化 功率因数低 彻底解决上述问题的方法是用户必须安装具有快速响应速度的动态无功补偿器 SVC SVC 系统响应时间小于 lOms 完全可以满足严格的技术要求 1 4 6 远距离电力传输 全球电力目前正在趋向于大功率电网 长距离输电 高能量 消耗 同时也迫使输配电系统不得不更加有效 SVC 可以明显提高电力系统输配电性能 这已在世界范围内得到了广泛的证明 即当在不同的电网条件下 为保持一个平衡的电 9 压时 可在电网的一处或多处适合的位置上安装 SVC 以达到如下目的 稳定弱系统电压 减少传输损耗 增加传输动力 使现有电网发挥最大功率 提高瞬变稳态极限 增加小干扰下的阻尼 增强电压控制及稳定性 缓冲功率振荡 1 4 7 其他通用领域 油田 水泥化工等领域随着节能改造的有着较多的传动及变频调速等电力电子 装置 其产生有害的高次谐波危害其他用电设备 导致用电效率降低 其他用电设备发 热寿命降低 1 1 5 5 无无功功补补偿偿的的一一般般方方法法 无功补偿通常采用的方法主要有 3 种 低压个别补偿 低压集中补偿 高压集中补 偿 下面简单介绍这 3 种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点 7 1 5 1 低压个别补偿 低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分 散地与用电设备并接 它与用电设备共用一套断路器 通过控制 保护装置与电机同时 投切 随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行 如大中型异步电动机 的无功消耗 以补励磁无功为主 低压个别补偿的优点是 用电设备运行时 无功补偿投入 用电设 备停运时 补偿设备也退出 因此不会造成无功倒送 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 1 5 2 低压集中补偿 低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧 以无功 补偿投切补偿装置作为控制保护装置 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的 投切 电容器的投切是整组进行 做不到平滑的调节 低压补偿的优点 接线简单 运 行维护工作量小 使无功就地平衡 从而提高配电变利用率 降低网损 具有较高的经 济性 是目前无功补偿中常用的手段之一 1 5 3 高压集中补偿 10 高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的 6 10kv 高压母线上的补偿方式 适用于用户远离变电所或在供电线路的末端 用户本身又有一定的高压负荷时 可以减 少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用 补偿装置根据负荷的大小自动投切 从而合理地提高了用户的功率因素 避免功率因素降低导致电费的增加 同时便于运行 维护 补偿效益高 第第 2 2 章章 无无功功补补偿偿原原理理 2 2 1 1 引引言言 随着国民经济的迅猛发展 用电量的急剧增加 电网的经济运行成为一个日益受到 关注的焦点问题 降低网损 提高电力系统输电效率和运行的经济性是电力系统运行部 门面临的突出问题 提高电力系统的无功功率补偿效率和力度 有效改善电力系统的功 率因数是提高电力系统安全经济运行的一个重要有效途径 通过对电力系统无功电源的 合理配置和对无功负荷的最佳补偿 不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性 而且可以降低有功网损和无功网损 使电力系统能够安全经济运行 在满足电压质量要求 的情况下 使网损最小 降低运行费用 以取得可观的经济效益 使电能质量 系统运 行的安全性和经济性完美的结合在一起 2 2 2 2 无无功功功功率率及及功功率率因因数数的的基基本本含含义义 2 2 1 无功功率 电力系统生产和消费的电能分 有功电力 和 无功电力 两种 有功电力是实际 做功的电力 无功电力是不做功的电力 在数值上等于无功功率与时间的乘积 无功功 率主要是电机 变压器等 用电设备工作时建立交变磁场用的 并非 无用 或 可有 可无 2 2 2 功率因数概率 有功功率 P 无功功率 Q 和视在功率 S 之间是直角三角形关系 称为功率三角形 见下图 2 1 所示 有功功率与视在功率的比值称为功率因数 用 cos 表示 无功功率 越大 功率因数越低 8 11 图 2 1 功三角形 2 2 3 3 无无功功补补偿偿的的基基本本原原理理 2 3 1 原理 电网中的电力负荷如电动机 变压器等 大部分属于感性负荷 在运行过程中需向 这些设备提供相应的无功功率 在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后 可以提 供感性负载所消耗的无功功率 减少了电网电源向感性负荷提供 由线路输送的无功功 率 由于减少了无功功率在电网中的流动 因此可以降低线路和变压器因输送无功功率 造成的电能损耗 这就是无功补偿 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 2 3 2 无功功率补偿的作用 无论是工业负荷还是民用负荷 大多数均为感性 所有电感负载均需要补偿大量的 无功功率 提供这些无功功率有两条途径 一是输电系统提供 二是补偿电容器提供 如果由输电系统提供 则设计输电系统时 既要考虑有功功率 也要考虑无功功率 由 输电系统传输无功功率 将造成输电线路及变压器损耗的增加 降低系统的经济效益 而由补偿电容器就地提供无功功率 就可以避免由输电系统传输无功功率 从而降低无 功损耗 提高系统的传输功率 无功的经济补偿对于电力系统而言 在高压侧或低压侧 均可进行补偿 但是 如果在低压侧进行补偿 既可减少变压器 输电线路等的损耗 又可提高变压器 输电线路的利用率及提高负载端的端电压 所以补偿电容器的安装越 12 靠近负载端 对用户而言越可获取较大的经济效益 在负荷侧补偿无功后 流过电网的 总电流为 2 1 2 2 PQC IIII 式中 I 总电流 Ip 有功电流 IQ 无功电流 Ic 补偿电容电流 图 2 2 无功功率补偿原理图 S1 为功率因数改善前的视在功率 cos 1为无功补偿前的功率因数 S2 为功率因数改善后的视在功率 cos 2为无功补偿前的功率因数 补偿后功率因数明显提高 由图 1 可见 装设补偿电容器后 不但改善了负荷侧的功率因数 补偿了用电负荷 所需的无功功率 并且可以降低电网的总电流 无功补偿的作用可分为 1 降低线路损耗 无功功率是由无功电流产生的 由于线路存在电阻 无功电流经过线 路时会发热而产生损耗 因此通过无功补偿减少无功可以降低线路损耗 当电流通过电阻为 R 的线路时 其功率损失为 2 310 PI RKW 或 13 2 2 22 233 2 1010 3 PQP PRRKW UUCOS 式中 I 流过线路的电流 A Q 线路传输无功功率 Kvar Cos 线路负荷的功率因数 由于有功损耗与 cos 成反比 所以提高功率因数 cos 可以大大降 低线路损耗 2 增加电网的有功传输能力 电网的传输能力体现在视在功率 在视在功率不变的情况下 通 过无功补偿减小无功后 将增加有功功率的传输 若 P1 和 P 2 为补偿前后的有功功率 cos 1 和 cos 2 为补 偿前后的功率因数 则 P P2 P1 S cos 2 cos 1 2 3 P 为补偿前后的有功功率增量 从上式可见 在视在功率 S 不变 的前提下 线路传输有功功率将有所增加 其增加值为 P 3 减小输电设备容量 输配电设备以视在功率计 在有功功率不变的情况下 通过无功 补偿减小无功后 将减小对输配电设备容量的要求 在保证有功负荷 P 不变的条件下增加无功补偿时 可以减少设备 容量 这是因为 2 4 12 11 SP COSCOS 当提高后 在输送同样的有功功率的情况下 上式的是COS S 负值 即可以减少视在功率 4 改善电压质量 14 无功功率由无功电流产生的 由于输配电系统存在电阻 无功电 流通过时产生电压降 因此通过无功补偿减小无功可以减小电压降 从而改善电压质量 配电电路电压损失的计算公式为 2 5 3 10 PRQX UKV Ue 电压损失率的计算公式为 2 6 3 00 00 2 10100 PRQX U Ue 式中 R X 分别为线路的电阻和电抗 Ue 线路电压 KV 当线路加装补偿电容器后 其电压损失减小值为 2 7 0000 0000 12 22 10101000 CCx PRQQXQUPRQX UUU UeUeSe 其中 00 00 3 x IeX U Ue 可见 无功补偿后 可使电压损失下降 其下降值为 U 5 节省电费支出 1 因线损降低而节省的电费 直接按线路和变压器损失降低计算 F P1 Pb tan T 用无功功率经济当量估算节省的电费支出 F Cb tan Qc T 式中 F 节省的电费支出 元 P1 减少的线路损失 kW 15 Pb 减少的变压器损失 kW Cb 无功功率经济当量 kW kvar Qc 无功补偿容量 kvar T 补偿装置运行小时数 单位有功电度价格 元 kW h tan 补偿设备的介质损耗 kW kvar 2 因功率因数提高而减少由于力率考核等因素而发生的电费支出 9 第第 3 3 章章 无无功功补补偿偿点点的的确确定定及及补补偿偿方方法法 3 3 1 1 无无功功补补偿偿点点的的确确定定 潮流功率方向送端为 S 受端为露的简单交流支路示于图 1 中 该支路计及线路电阻 RSR 电抗 XSR 支路两端的接地电容支路并人该支路的两端节点来考虑 取 S R 端的电 压 为 US UR 支路电流为 ISR 支路送端 s 输入的有功功率和无功功率分别为 PSR QSR 受端 置输出的 10 有功功率和功功率分别为 PRS QRS SRSRSRSRxSRyRSRSPjQIIjIPjQ 00SSSRSRRRSRSUUrjxUUjU 16 图 3 1 简单交流 图 3 1 简单电路的支路电压方程为 3 1 RSSRSRSRUUIrjx 即 3 2 RxSSRx SRSRySRUUI rI x 3 3 RySRxSRSRy SRUI xI r 式中 URx URy和 ISRx ISRy分别是受端电压 UR和支路电流 ISR的有功分量与无功分量 受端输出的功率为 3 4 RSRSR SRPjQU I 即 3 5 RSRS SRxRy SRyPU IU I 3 6 yxR SRSRR xR xSR yQ U I U U I 在式 3 2 3 3 3 5 3 6 中 消去其电流分量后 该方组可表示为 3 7 22 RSSRSRSRxSRSRy RxRySR Qb Ub U Ub Ug U U 3 8 22 RSSRSRSRxSRSRy RxRySR Qb Ub U Ub Ug U U 式 3 7 3 8 中 支路导纳 3 9 22 SRSR RSSR SRSR rjx gjb rx 一般输电线路中的电纳 bSR 0 为突出无功功率正负的数学意义 取电导 g gSR 电 纳 b bSR 则以电压分量为变量的式 3 7 3 8 的二元二次方程组的圆的标准形式为 3 10 222 22 2 2244 SRS RxRyS SS Ub UUbP UUU ggg 17 3 11 222 22 2 2244 SRS RxRyS SS Ug UUbQ UUU bbb 以 URS URy为变量 式 3 10 表示的圆 UP的圆心为 OP其半径为 rp 式 3 11 表示的圆 UQ的圆心为 OQ 其半径为 Rq 两圆的圆心 OP OQ的坐标分别为 2222 SSSS PQ UbUUgU OO gb 半径分别为 3 12 222 2 44 RS P SS Ub UP r gg 3 13 222 2 44 RS Q SS Ug UQ r bb 两圆心之间的距离为 3 14 22 2 gb D gb 显然 式 3 12 和式 3 13 有解的条件为两圆的半大于等于零且两圆相交或相切 将 两圆相交况作于图 3 2 中 将两圆相切的情况作于图 3 3 中式 3 13 和式 3 14 及图 3 2 和 图 3 3 中可以看出 要两圆外切以满足负荷临界电压崩溃的条件取分别增加负荷的有功功 率 无功功率的方法 也可以采取同时增加负荷的有功功率和无功功率的方法 图 3 2 两圆相交 图 3 3 两圆相切 18 两功率圆相切所对应的运行点 P1称为交流电路工作域与崩溃域的分界点 即图 3 1 电路的临界电压崩溃运行点 根据外切圆的负荷临界电压崩溃的条件 须有 3 15 0pr 3 16 0Qr 3 17 PQrrD 如此可在潮流计算的每次迭代中 按式 15 一 17 的条件检验每条支路 若出现不满 足此条件的支路 则该支路潮流已经崩溃 系统的潮流方程无解 支路受端的节点电压 达到临界 该节点即为系统无功缺额最大的节点 需要在该节点采取相应的无功补偿措 施 3 3 2 2 无无功功补补偿偿容容量量计计算算与与确确定定 无功补偿容量的确定 一般从提高功率因数 降低损耗 提高运行 电压水平等三方面考虑 11 3 2 1 为提高功率因数需要确定补偿容量 如果电力用户的最大负荷月的平均有功功率为 Pav 补偿前的功率因数为 cos 1 补偿后欲将功率因数提高到 cos 2 则补偿容量为 3 18 2 12 1 tan tantan 1 tan c QPavQav 或 3 19 22 12 11 11 coscos c QPav 当需要将功率因数提高到大于 cos 2 小于 cos 3 时 则补偿容量 Qc 应该满足 3 20 2222 1213 1111 1111 coscoscoscos C PavQPav 式中 Qc 所需要补偿容量 Kvar Qav 最大负荷月平均无功功率 kvar Pav 最大负荷月平均无功功率 kW 19 在考虑补偿容量时 cos 1 应采用最大负荷月平均功率因数 cos 2 的选取要适当 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 0 72 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果将显著下降 这是由于在 高功率因数下 cos 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 增加 3 2 2 为降低损耗来确定补偿容量 对于电力用户端的损耗 在电气参数一定的条件下 与流入用户的电流的平方成正 比 如补偿前流入的电流为 I1 有功 无功分量为 I1 和 I1R 则 I1 I1R jI1X 若补偿后 流入的电流为 I2 其有功 无功分量为 I2R 和 I2X 则 I2 I2R jI2X 但是 加装电容器后 不会改变补偿前的有功分量 即 I1R I2R 如图 3 4 所示 图 3 4 补偿前后无功电流变化 补偿前的损耗为 3 21 2 2 1 11 1 33 R I PI RR COS 补偿后的损耗为 3 22 2 2 2 12 2 33 R I PI RR COS 补偿后损耗降低的百分值 12 00 00 1 100 PP P P 22 12 12 00 2 1 1 33 100 3 RR R II RR COSCOS I R COS 20 3 23 2 1 00 2 1100 COS COS 而补偿容量为 1122 33sinsin CX QU IU II 12 12 12 3sinsin RR II U COSCOS 112 3tantan R UI 3 24 12 tantanP 3 2 3 为提高运行电压水平来确定补偿容量 用户处于配电线路的末端 运行电压较低 特别是重负荷 细线径的线路电压水平 更为突出 装补偿电容以后 可以提高电压 选择多大的补偿电容才合理 而且不使网 络电压超过定值 为了满足这一约束条件 也必须求出补偿容量 Qc 和网络电压增量之 间的关系 装设补偿电容以前 网络电压可以用下式计算 3 25 12 2 PRQX UU U 装设补偿电容后 电源电压 U1 不变 变电所母线电压 U2 升高到 U2 则 3 26 12 2 C PRQQX UU U 3 27 22 2 C Q X UUU U 3 28 2 C UU Q X 式中 Qc 每相所需补偿容量 kvar U2 投入电容后母线电压值 KV U 投入电容后电压增 量 KV 21 3 29 22 1 33 33 LLLL CC UUU U QQ XX 式中 U2L 母线线压值 KV U L 线电压增量 电力用户应根据自身的特点及情况 找出主要矛盾 按上述三种情况合理确定无功 补偿容量 3 3 3 3 无无功功补补偿偿的的方方法法 3 3 1 大 中型用户的无功优化补偿 大 中型电力用户的无功补偿应坚持全面规划 合理布局 分散补偿 就地平 衡的原则 集中补偿与分散补偿相结合 以分散补偿为主 高压补偿与低压补偿相结合 以低压补偿为主 调压与降损相结合 以降损为主 12 a 用户变电站的无功补偿 变电站的无功补偿 主要是补偿主变压器对无功容量的要求 结合考虑内部的无功 潮流以及配电线路和用电设备的无功补偿水平 来确定最优补偿容量 一般可参照以下 几条原则 1 变电站的无功补偿 主要用于补偿主变压器的无功损耗 其中包括空载无功 损耗和负载无功损耗 35kv 变电站的补偿容量一般可按主变压器容量的 10 20 来 确定 2 对于某些经常处于空载或轻载运行的变电站 可取最小补偿值 即按主变压 器的空载无功损耗补偿 其补偿容量为主变压器容量的 5 10 3 若就地和线路的补偿水平较低 变电站可适当增大补偿容量 但应考虑在就 地的无功补偿水平提高以后 这部分补偿容量才可进行调整 b 配电线路的无功补偿 配电线路上安装电容器进行无功补偿 具有投资少 见效快 投运时间长 降损效 果显著等优点 且安装简单 维护工作最小 事故率低 特别适用于配电线路长 负荷 点多的供电状况 配电线路最优补偿的计算 包括在无功负荷不同均匀度下确定每组电 容器的最佳补偿容量和最佳安装位置 如下表 3 1 所示 表 3 1 线路电容器最佳补偿容量 装设位置及降损效果 22 负荷分布安装组数 n 最佳补偿 容量 Ic 装设位置 位于 主干线长 度的 降损效果 均匀12 32 388 9 24 52 5 4 596 0 36 72 7 4 7 6 7 98 0 近似均匀12 32 385 7 24 52 5 4 594 5 36 72 7 4 7 6 7 97 1 不均匀14 52 388 7 由上表可见 配电线路最佳补偿容量约为线路平均无功负荷的 1 3 6 7 其余无 功负荷由变电站 10KV 母线安装的电容器进行补偿 实现最优补偿后的降损效果可达 86 98 充分显示了分散补偿的优越性 3 3 2 小型用户的无功优化补偿 对于广大中 小用户及农村排灌等 所面临的是低压无功补偿问题 使其达到优化 补偿更为重要 a 按功率因数奖罚标准计算补偿容量 1 电力用户要达到国家规定的功率因数标准 则可以按提高功率因数的要求来确 定补偿容量 计算公式如下 Qc Pmax tan 1 tan 2 3 30 3 31 max 22 12 11 11 coscos C QP 3 32 1 max 2 tan 1 tan C QQ 式中 Qc 并联电容器补偿容量 kvar Pmax 高峰用电时段内的最大有功负荷 KW Qmax 高峰用电时段内的最大无功负荷 1 2 补偿前后的功率因数角 23 目前 由于计量装置的限制 还不可能全面实行高峰时的功率因数考核 一般还只 实行按月平均功率因数值进行考核 为了简化计算 下表 3 2 列出了通常使用的各类用户经济功率因数值 根据补偿前 后的功率因数值 可直接查得每 KW 有功负荷所需要的补偿率 KW kvar 然后乘以 实际的最大负荷 或平均计算负荷 则可得到需要的总补偿容量 表 3 2 各类用户经济功率因数值 KW Kvar 负荷类型 经济功率因数0 85 0 900 90 0 950 90 0 95 b 按经济功率因数确定补偿容量 一般电力用户的经济功率因数值 参照下列原则确定 1 由于减少了因输送无功电力所引起的有功损耗 从而获得年度的最大节能效益 2 由于进行无功补偿所花费的投资 用节约的价值相抵偿的年限为最短 3 由于进行无功补偿 从而使输变电设备的送电能力增加 并相应减少了扩建费用投 资 可见 经济功率因数值是综合考虑了补偿装置的节能效益和费用支出确定的 符合 最优补偿的要求 根据典型网络 典型设备的计算 各类电力用户的经济功率因数值可参见下表 3 3 来 使用 表 3 3 每千瓦 KW 有功负荷所需无功补偿容量表 kvar 24 3 3 3 电动机随机无功优化补偿 在工业消耗的无功功率中 异步电动机约占 70 因此对其实行就地补偿以提 高功率因数 对节约电能有重要意义 a 电动机无功功率就地补偿意义 在电动机就地附近设置电容器 随电动机一起投入运行或退出运行 这是最有效的 无功功率补偿方法 其作用如下 1 可减小配电变压器 低压配电线路的负荷电流 2 减小配电线路的导线截面和配变容量 3 减少企业配电变压器及配电网功率损耗 4 补偿点无功经济当量最大 降损效果好 5 可降低电动机起动电流 b 常用电动机就地补偿电容器容量表 常用 Y YX 系列电动机所需补偿容量见下表 3 4 表 3 5 25 表 3 4Y 系列 380V 三相异步电动机就地补偿电容器容量 Kvar 表 3 5YX 系列 380V 三相异步电动机就地补偿电容器容量 kvar 第第 4 4 章章 静静止止无无功功补补偿偿器器 4 4 1 1 常常用用静静止止无无功功补补偿偿器器及及其其工工作作原原理理 静止无功补偿器又称 SVC 传统无功补偿用断路器或接触器投切电容 SCV 用可控 硅等电子开关 没有机械运动部分 所以较静态无功补偿装置 13 26 通常的 SVC 组成部分为 1 固定电容器和固定电抗器组成的一个无功补偿加滤波支路 该部分适当选择电抗器和电容器容量 可滤除电网谐波 并补偿容性无功 将电网 补偿到容性状态 2 固定电抗器 3 可控硅电子开关 可控硅用来调节电抗器导通角 改变感性无功输出来抵消补偿滤波支路容性无功 并保持在感性较高功率因数 工作原理 SVC Static Var Compensator 静止无功补偿器 静止无功补偿器是由晶闸管所控制 投切电抗器和电容器组成 由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速 而且通断次数也可 以不受限制 当电压变化时静止补偿器能快速 平滑地调节 以满足动态无功补偿的需 要 同时还能做到分相补偿 对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性 但由于 晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波 为此需加装专