关于无功补偿技术文献综述

福州大学 本科生毕业设计 论文 文献综述本科生毕业设计 论文 文献综述 题 目 电网电容式无功补偿器的系统设计 姓 名 学 号 系 别 电气工程系 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2008 级 指导教师 年 月 日 文献综述文献综述 引言引言 进入 21 世纪伴随着国家经济的高速发展 国家电力工业的任务也更加艰巨 伴随着经济的发展我国的电力行业也在与时俱进 由于工业的发展现代电网中 的无功损耗也急剧增大 使电网电能质量恶化 同时也加重了线路和变压器的 负担和损耗 如今国家正在倡导节能减排 因此电网中的无功补偿问题越来越 引起学者们的关注 无论是在工业负载还是生活负载中 阻感负载都占有很大 的比例 比如变压器 异步电动机和很多的家用电器都是阻感性负载 这些负 荷的自然功率因数都比较小 它们所消耗的无功功率在电力系统传输的的电量 中占有很高的比例 如果能够减小线路中的无功功率就能够提高电能的传输效 率 公共电网中的电能品质己经得到人们越来越多的认识和重视 对电网影响 严重的工厂配电网及电能质量的治理必将会带来显著的效果和影响 本设计的 无功补偿的主要作用是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗 稳定电压 提高供电质量 在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力 平衡三相负载的 有功和无功功率等 无功电流补偿实现手段正趋于与电力电子技术的结合 结合方式有三种 一 是为投切电容器的开关 二是作为无功输出的调节开关 三是引入电力电子变流技 术 将变流器作为无功电源 以补偿无功 目前在我国广泛使用的以 SVC 为代表 的传统的无功补偿装置 国内外对 SVC 的研究集中在控制策略上 模糊控制 人 工神经网络 和专家系统等智能控制手段也被引入 SVC 控制系统 使用 SVC 系统的性能更加提高 但是由于无功补偿新技术与新装置 即 SVG 等的突出优 点 使得无功补偿技术未来发展的方向主要以电力电子及其逆变技术为核心开发 出的性能更为优越的装置 无功补偿和谐波抑制始终有着密切的关系 两者的技术发展与进步是相互协 调的 有源滤波器可以克服无源滤波器在实际运行中补偿特性易受电网阻抗变 化和运行状态影响 与系统发生谐波放大甚至并联谐振的缺陷 若将无源滤波器 和有源滤波器相结合构成混合滤波器 相互取长补短 兼有两种滤波器优点 这种 方案是谐波抑制方案研究的热点 更为积极的方法是单位功率因数变流器 它是 不产生谐波且功率因数为 1 的新型变流器 它将有力地推动无功补偿和谐波抑制 新技术的进步 前景十分广阔 1 早期无功补偿方式早期无功补偿方式 1 1 同步发电机同步发电机 同步发电机是通过调整励磁电流 使其在超前功率因数下运行 输出有功 功率的同时输出无功功率 与同步调相机类似 目前不常用 1 2 并联电容器并联电容器 并联电容器可以改善线路参数 减少线路感性无功功率 并联电容器简单 经济 灵活方便 但其功率调节性能较差 与同步调相机相比 其费用节省很 多 且维护方便 即可集中补偿 也可分散装设 所以还是我国目前主要的无 功补偿方式 其缺点是电容器只能补偿固定的无功功率 且容易发生并联谐振 而烧坏电容器 1 3 同步调相机同步调相机 同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机 可根据需要控制 同步电机的励磁 使其工作在过励磁或欠励磁的状态下 从而发出大小不同的 容性或感性无功功率 因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿 但是它属 于旋转设备 运行中的损耗和噪声都比较大 运行维护复杂 成本高 且响应 速度慢 难以满足快速动态补偿的要求 2 电力系统无功补偿新技术 电力系统无功补偿新技术 随着电力电子技术的发展 近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术 电力电子技术是现代无功补偿技术的基础 电力电子器件向快速 高电压 大 功率发展 使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基 本只依靠机械型 慢速 间断及不精确的控制的局面 从而为交流输电网提供 了空前快速 连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力 随着电力电子器件 的发展 无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段 无功补偿 控制器己由基于 SCR 的静止无功补偿器 StaticVarCompensator SVC 晶闸管控 制串联电容补偿器 Thyristor Controlled Series Compcnsator TCSC 发展到基于 GTO 的静止无功发生器 Static Var Generator SVG 静止同步串联补偿器 StaticSynchoronous Series Compcnsator SSSC 统一潮流控制器 Unificd Power FlowController UPFC 可转换静止补偿器 Convcrtible Static Compensator CSC 等 2 1静止无功补偿器 静止无功补偿器 SVC SvC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量 从而改变输电系统的导纳 按控制对象和控制方式不同 分别称之为晶闸管控 制电抗器 Thyristor Control Reactor TCR 晶闸管投切电容器 ThyristorSwitchCapacitor TSC 以及这两者的混合装置 TCR TSC TCR与固定 电容器 Fixed Capacitor FC 配合使用的静止无功补偿器 TCR FC 和TCR与机械 投切电容器 Mechanically Switch Capacitor MSC 配合使用的装置 TCR MSC 2 2静止无功发生器 静止无功发生器 SVG 静止无功发生器 SVG 也称为静止调相机 Static Condenser STATCON 静 止同步补偿器 Static Synchronous Compensator STATCOM 新型静止无功发生 器 Advanced Static Vat Generator ASVG 其分为电压型桥式电路和电流型桥式 电路两种类型 电压型桥式电路 其直流侧采用电容作为储能元件 交流侧通 过串联电抗器并入电网 电流型桥式电路 直流侧采用电感作为储能元件 交 流侧并联上电容器后接入电网 迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路 因此SVG 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置 与SVC 相比 SVG具有如下几个优点 调节速度快 运行范围宽 可以在从感性到容 性的整个范围中进行连续的无功调节 SVG不需大容量的电容 电感等储能元 件 谐波含量小 2 3同一潮流控制器 同一潮流控制器 UPFC 将SVG中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器 就成为静止同步 串联补偿器 Static Synchoronous Series Compensator SSSC 它能实现对线路潮 流的快速控制 把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容耦合 就构成了 统一潮流控制器UPFC SVG与SSSC既可配合使用也可解耦独立运行 由于 SVC STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压 如果系统某一局部同时 有多种要求 就需要在该处设置几种装置 这增大了安装 调试的工作量 同 时设备的投资也相当可观 UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装 置 仅通过控制规律的变化 就能对线路电压 阻抗 相位等电力系统基本参 数同时进行控制 从而能分别或同时实现并联补偿 串联补偿 移相等几种不 同的功能 与其它无功补偿装置相比 UPFC控制范围较大 控制方式更为灵活 2 4可转换静止补偿器 可转换静止补偿器 CSC CSC被认为是最新一代的无功补偿装置 目前仅在美国Marcy变电站中安装 了此装置 其中作为SVG运行的两台100Mvar并联部分己于2000年分别在两条 线路上安装完毕 两台作为SSSC运行的串联部分目前尚未安装完毕 由于无功 补偿技术及其控制器发展迅猛 一些新的装置不断被开发出来 使得无功补偿 控制器中的新旧装置出现并存发展的局面 无功补偿控制器中的无功补偿装置 SVC SvG UPFC及CSC目前也处于这样一种发展情况 作为较早出现的无功 补偿装置SvC 由于采用的是传统的半控型器件SCR成本低 且技术成熟 因 此是目前越来越多使用的无功补偿装置 目前对SVC的研究主要集中在控制策 略上 模糊控制 人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系 统 使SVC系统的性能更加提高 而SVG UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程 尚无法大规模应用 一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件 而全控器件目前价格 非常昂贵 使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高 另一方面 此类 无功补偿装置的技术还不完善 有许多技术问题尚待解决 但大功率电力电子 器件技术本身发展迅速 未来的功率器件开关容量会逐步增大 价格则相应下 降 此类以GTO等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低 国 际大电网会议曾展开有关SVC与SVG的性价比的讨论 不少专家认为 由于 SVG不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节 而电容器的价格多年 来比较稳定 不可能大幅度下降 相反 电力电子器件的价格会不断下降 故 预计SVG会比SVC更有竞争力 由此可见 随着造价的降低和技术的完善 在 不远的将来SVG UPFC及CSC将成为无功补偿技术的发展方向 3 电力网络的功率计算 电力网络的功率计算 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之间存在功率三角形关系 如图3 1所示 图3 1功率三角形 公式如下 有功功率 P S COS UICOS 3 1 无功功率 P S SIN UISIN 3 2 视在功率S UI 3 3 U为电压有效值 I为电流有效值 COS 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 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下 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 没各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 3 1无功补偿的作用 无功补偿的主要作用是为了提高功率因数 在用户端采用无功补偿装置 达到我国电力设备的有关规定 即 在电力用户变压器的高压侧功率因数不低 于0 9 低压侧功率因数不低于O 85 目前国内低压无功补偿装置一般都是 在用户端并联电容器 并联电容器可提供超前的无功功率以补偿感性负荷 多 装于降压变电所 还可就地补偿 补偿前后的功率三角形如图4 1所示 图4 1补偿后功率三角形 目前大多数补偿装置采用并联电力电容器方法 但电容一旦投入后 它不 随感性负载的变化而变化 因为当负载发生变化时 电网上可能出现超前的或 滞后的无功 即所谓过补偿和欠补偿问题 1 欠补偿 无功功率滞后 由于补偿的电容量C不足 使k较小 系统中的容性电流不足以补偿感性电 路中电流的无功分量 使负载仍得向电网索取一定数量的无功功率 未达到补 偿要求 3 过补偿 无功功率超前 由于投入的电容器容量C较大 使Ic较大 系统中容性电流大于感性负载中 的无功分量 这时从无功电表上看要倒转 整个负载成容性 这时要向电网倒 送无功功率 另外 从经济的角度看 电容器的容量越大 成本也越大 4 全补偿 要做到全补偿一般比较困难 另外如实现全补偿的话 将会出现谐振现象 就会出现谐波放大 损坏电器设备 总之 在感性负载端并入适当大小的电容 器进行补偿 必须从经济 节能的角度综合考虑 确定最优补偿容量和补偿容 量的最优分布 4 无功补偿控制器电容投切原理 无功补偿控制器电容投切原理 无功补偿的原理就是准确检测三相电路无功功率Q 然后根据Q值的大小进 行电容器最优投切 从而减小Q值 以达到最优状态 在被谐波污染的电网中 投入电容器进行无功补偿时 应注意避免产生谐波的谐振 消除谐波的方法 一般是在电容器上串联电抗 来防止电流的突变 本系统采用实时跟踪监测电 网中的谐波量的方法 在电网中的谐波量超出设定值时 停止投入电容器 并 报警 以防止重大事故的发生 5 电压和电流 功率因数的采集与滤波 电压和电流 功率因数的采集与滤波 电压互感器的输出额定值要经过电压变送器 再经过线路调理与滤波才能 送人单片机进行AD采样 同样 电流互感器的信号也要经过电流变送器及信号 调理与滤波 才能送至单片机采样 该部分的框图如图6 1所示 图6 1电压电流信号的采样框图 6 全文总结全文总结 本文从提高无功补偿控制器的整体性能和经济适用性出发 研究了国内外 无功补偿装置的现状 比较了当前应用广泛的几种无功补偿装置的原理 性能 提出了以单片型开发无功补偿控制器的整体设计方法 为了满足电力系统对实 时性更高的要求 提出了采用DSP进行控制的动态无功补偿装置 并进行了系 统软硬件设计 使用了目前流行的嵌入式多任务实时操作系统开发 并对系统 软硬件设计和无功补偿控制策略进行论述 参考文献 1 王兆安 杨君 谐波抑制和无功功率补偿 M 北京 机械工业出版社 1998 2 林在荣 低压并联无功补偿技术的现状与发展 J 电工技术杂志 2003 1 4 3 丁屹峰 浩忠 电能质量检测技术现状及发展 J 中国电力 2004 7 12 13 4 姜齐荣 王强 韩英铎 新犁静 IP 无功发生器 ASvG 装置的建模及控制 M 清华 大学学报 1997 7 26 29 5 刘智勇 余志东 无功功率补偿技术及发展趋势 J 农村电气化 2004 6 9 10 6 高晶晶 赵玉林 电网无功补偿技术现状及发展趋势 J 东北农业大学学报 2004 35 5 639 644 7 程登良 无功补偿装置的控制策略研究 J 中国科技信息 2005 年 15 162 163 8 刘凤霞 黄晓彤 刘前进 配电网无功补偿算法研究综述 M 西北水电 2005 59 64 9 王成进 基于430单片机的低压无功补偿终端研究 D 硕士学位论文 2006 10 宁改娣 杨栓科 DSP控制器原理及应用 M 北京 电子工业出版社 2000 11 田广青 江门变电站静止补偿器简介 M 北京 水利电力出版社 1990 12 米勒 电力系统无功功率控制 M 北京 水利电力出版社 19