无功功率优化补偿毕业设计.docx

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无功功率优化补偿毕业设计

河北工程大学

毕业设计

发电厂及电力系统专业

电力系统无功功率动态优化补偿装置

学生姓名：

张国伟

指导老师：

刘文胜

二00九年六月

前言

无功功率补偿是电力系统的经典话题，补偿得当，可以提高供电效率，减少线路损耗，提高供电质量。

以前的补偿装置多用估算的办法，不能适应动态的要求。

随着单片机技术和电子测量技术的发展，现在有条件实时测量出功率因数，根据测量结果及时进行补偿，补偿的程度可以具体线路进行设定。

本设计就是要完成这样的实际装置。

要考虑适应现场恶劣电磁环境，保证能够长期可靠运行，不发生死机现象。

在本设计中，用PT和CT分别采样电流、电压信号，由单片机进行相位差计算，根据计算结果，投入或切掉并联的补偿电容。

电容的分组可以采8：

4：

2：

1的比例，使调节更加精细。

相位测量可以采用单片机计数配合电子线路实现。

电容投切控制使用固态无触点开关，采取过零宽高频调制脉冲触发方式，以减少冲击电流；关断采用电流过零自然关断；投入采用记忆方式，保证原电容充电方向与系统电源方向一致。

第一章动态无功功率补偿装置概述

为提高供电设备效率，减少供电线路电能损失，国内外自上世纪50年代初就开始进行无功功率补偿装置的研究工作，其方法主要有两种：

一种是在电网上并联电容器，通过提高电网的功率因数达到减少线路电压损耗，提高供电设备利用率的目的;另外一种是在电网上并入同步电动机，通过改变同步电动机励磁电流的方法来改变电路负载特性。

其中前一种方法适用于居民、商业及小型工厂的低压供电系统，而后一种方法适用于大型工厂中的无功功率补偿。

在实际应用中，由于电路特性是随时变化的，为了达到较好的补偿效果，就必须动态跟踪电路特性的变化，实时监测电路中

与

的相位差角，根据角的大小决定并联电容器的值。

基本的功率因数

补偿电路如图1-1所示

图1-1功率因数补偿电路

电路中的K1～Kn在自动动态补偿装置中可采用双向可控硅，在电路工作时，一般保证

<0.95，避免电路出现谐振现象，损坏电网供电设备和用电器。

具体的方法是通过对电压U和电流I的相位检测来判断是否并入补偿电容器，并入几个，这些都是通过控制装置自动完成的，这就是动态无功功率补偿装置的工作原理。

第一节现有补偿装置存在的问题及解决方法

上面所述的方法只局限于某一段电路，并没有从整个电力网的角度来分析。

为了弥补这一缺陷，就有必要对整个供电系统中的各段电路功率因数补偿装置进行集中调控，使整个系统处于协调工作状态。

由于现有的动态功率因数补偿装置还没有实现整网连调，所以，有必要增加动态功率因数补偿装置的数据通讯功能，将其工作状态及相关的电流、电压、功率因数、工作温度、环境状态等参数发送到总调室，总调室中的主控微机则根据前端工作状态实时调整控制参数达到整网均衡运行的目的。

另外，在分析补偿过程中所提到的电容器，是按理想电容器来分析计算的，实际的电容器可等效为电阻R与电容器C并联电路,电阻减小，电容器介质损耗增加，电容器发热，电解液易枯竭使电容量减小，补偿不足。

同时，电容器在密闭较严时易出现爆炸现象。

为及时发现并解决这一问题，也应对电容器的工作温度、电容量等参数进行检测，并将检测结果及时发送给控制终端，便于及时维修更换，避免事故的发生。

对于功率因数补偿问题，多年来，人们一直在变压器输出端或工厂电力入口等前端上进行无功功率补偿，补偿方案如图1-2所示

图1-2前端无功功率补偿方案

由图可见，前端补偿只补偿了10kV以上供电网的无功电流，400V低压输电网下端的无功电流并没有得到补偿，而现今居民和商业用电户，多采用节能型日光灯照明，电路功率因数低，且得不到补偿图1-3为了解决这一问题，有必要开发研制一种造价低、性能好的小型动态无功功率补偿装置（MTSC）。

将此装置安装于居民（或商业）用户的集中供电箱中，这样就构成了新的动态补偿控制方案，如图

图1-3用户端动态补偿方案

由图可见，采用这种方式后，对于变压器至用户集中配电箱这段电路的线路损失也得到了补偿，其带来的经济效益是相当可观的。

第二节无功补偿和提高功率因数的意义

一无功补偿的基本概念

无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。

变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。

因此有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。

在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。

传统上无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源交换功率的最大值，也是储能元件与电源间交换能量的一种量度。

在非正弦电路中，无功功率的概念却很抽象，并且至今未获得公认的无功功率定义。

于是在在非正弦波情况下，有关平均无功功率的定义有两种学派：

一种是依据Budeaun的定义，采用频域分析法；另一种是依据Fryze的定义，采用时域分析法。

近年来，国内外学者又提出了广义平均无功功率、瞬时无功功率以及广义瞬时无功功率的概念。

近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。

无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。

电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。

因此无功功率对电力系统是十分重要的。

二电力网络的功率因数

接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。

例如，通过磁场，变压器才能改变电压并且将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。

磁场所具有的磁场能是由电源供给的，电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫做感性无功功率。

电容器在交流电网中接通时，在一个周期内，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫做容性无功功率。

对感性负荷，有功功率、无功功率和视在功率之间的关系如图所示。

S=（P2+Q2）1/2（1—1）

式中S——视在功率，kVA；

P——有功功率，kW；

Q——无功功率，kvar。

φ角为功率因数角，它的余弦（COSφ）有功功率与视在功率之比，称为功率因数。

即：

图1功率三角形

COSφ=

三提高功率因数的意义

（一）改善设备的利用率

因为功率因数还可以表示成下述形式：

（1─1）

其中

——线电压（KV）；

——线电流（A）。

可见，在一定的电压和电流下提高

，其输出的有功功率越大，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。

（二）提高功率因数可减少电压损失

因为电力网的电压损失可借下式求出：

（1─2）

可以看出，影响的因素有四个：

线路的有功功率P，无功功率Q，电阻R和电抗X。

如果采用容抗为Xc的电容来补偿，则电压损失为

（1─3）

故采用补偿电容器提高功率因数后，电压损失ΔU减少，改善了电压质量。

（三）减少线路损失

当线路通过电流I时，其有功损耗为：

ΔP=3P2R×10-3/U2（COSφ）2（KW）（1─4）

线路有功损失ΔP与

成反比

越高ΔP越小

（四）提高电力网的传输能力

视在功率与有功功率成下述关系

P=S

（1─5）

可见，在传输一定有功功率P的条件下,

越高,所需视在功率越小。

（五）减少用户开支，降低生产成本

（六）减小供电设备容量，节省电网投资

四无功补偿及其方法

（一）无功功率补偿的基本概念

无功功率补偿的基本原理是：

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。

这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。

（二）无功功率补偿的方法

无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器，或采用具有容性负荷的装置进行补偿。

1、利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数，但设备复杂，造价高，只适于在具有大功率拖动装置时采用。

2、利用调相机做无功功率电源，这种装置调整性能好，在电力系统故障情况下，也能维持系统电压水平，可提高电力系统运行的稳定性，但造价高，投资大，损耗也较高。

每kvar无功的损耗约为１.8—5.5%，运行维护技术较复杂，宜装设在电力系统的中枢变电所，一般用户很少应用。

3、异步电动机同步化。

这种方法有一定的效果，但自身损耗大，每kvar无功功率的损耗约为4—19%，一般都不采用。

4、电力电容器作为补偿装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小（每kvar功功率损耗约为0.3—0.4%以下）等优点，是当前国内外广泛采用的补偿方法。

这种方法的缺点是电力电容器使用寿命较短；无功出力与运行电压平方成正比，当电力系统运行电压降低，补偿效果降低，而运行电压升高时，对用电设备过补偿，使其端电压过分提高，甚至超出标准规定，容易损坏设备绝缘，造成设备事故，弥补这一缺点应采取相应措施以防止向电力系统倒送无功功率。

电力电容器作为补偿装置有两种方法：

串联补偿和并联补偿。

a、串联补偿是把是容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。

这种补偿方法的电容器称作串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。

b、并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。

这种补偿方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。

五、并联电容器补偿无功功率的作用及其方法

（一）并联电容器提高功率因数的原理

在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感负载中的电流IL滞后电压90°。

而纯电容的电流IC则超前于电压90°，如图7—2所

示。

可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°，它们能够互相抵消。

电力系统中的负载，大部分是感性的。

因此总电流I将滞后于电压一个角度φ。

在P是一个定制的前提下，如果将并联电容器与负载并联（补偿原理如图3所示），则电容器的电流IC将抵消一部分电感电流，从而使电感电流IL减小ILˊ，总电流从I减小到Iˊ，功率因数将由COSφ1提高到COSφˊ　，这就是并联补偿的原理。

（二）并联电容器在电力系统中的作用

采用并联补偿电容器进行无功补偿主要作用是：

1、补偿无功功率，提高功率因数

2、提高设备出力

由于有功功率P=S·COSφ，当设备的表观（视在）功率S一定时，如果功率因数COSφ提高上式中的P也随之增大，电气设备的有功出力也就提高了。

3、降低功率损耗和电能损失

在三相交流电路中，功率损耗△P图3电容补偿电路原理图的计算公式如下：

ΔP=3P2R×10-3/U2（COSφ）2（1-2）

由式可见，功率损耗和功率因数的平方成反比。

当功率因数提高后，将使功率损失大大下降。

因此使得每年在线路上和变压器中的电能损失下降。

4、改善电压质量

在线路中电压损失的计算式如下：

ΔU=（P*R+QXl）×10-3/U（1-3）

式中△U——线路中的电压损失，KV；

P——有功功率，MW；

Q——无功功率，Mvar；

U——额定电压，kV；

R——线路的总电阻，Ω；

XL——线路感抗，Ω。

由上式可见，当线路中的无功功率Q减少以后，电压损失△U也就减小了。

（三）并联电容器在电力系统中的补偿方式

1、并联电容器与电力网的联接

并联电容器与电力网的联接，额定电压应相符。

在三相供电系统中单相电容器的额定电压与电力网的额定电压相同时，电容器应采用三角形接法，如果按星形接法联接则每相电压是线电压的/3倍，又因Q=U2/Xc，所以无功出力减小为三角形接法时的1/3倍，显然是不合理的。

当单相电容器的额定电压较线路的额定电压低时，应采用星形联接或几个电容器串联以后接成三角形。

而三相电容器只要其额定电压等于或高于电网的额定电压即可直接接入使用。

2、并联电容器的补偿

电容器的补偿形式，应以无功就地平衡为原则。

电网的无功负荷主要是由用电设备和输变电设备引起的。

除了在比较密集的供电负荷中心集中装设大、中型电容器组，便于中心电网的电压控制和稳定电网的电压质量之外，还应在距用电无功负荷较近的地点装设中、小型电容器组进行就地补偿。

安装电容器进行无功功率补偿时，可采取集中、分散或个别补偿三种形式。

1）个别补偿

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的办法，把电容器直接送到单台用电设备的同一个电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开。

这种补偿方法的效果最好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使电压质量得到保证。

个别补偿一般常用于容量较大的高低压电动机等用电设备。

但这种方法在用电设备非连续运转时，电容器利用率低，不能充分发挥其补偿效益。

2）分散补偿

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除。

这种补偿方法效果也较好。

3）集中补偿

集中补偿是把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上，这种补偿方法，安装简便，运行可靠，利用率较高；但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。

电容器就地补偿的无功功率称为释放功率，其大小与初始功率因数和电容器的安装容量及其安装位置有关。

当电容器接到变压器的一次侧时，可使线路损耗降低，变电所一次母线电压升高，而对变压器没有补偿作用；此外变压器一次侧电压高，安装费高，因此尽量不把电容器安装在变压器的一次侧。

当电容器安装在变压器的二次侧时，能产生释放功率使变压器相应增加出力，并使二次侧电压较大幅度的提高，效果显著，同时二次侧电压低，安装费降低，因此把电容器尽量安装在变压器的二次侧。

六、并联电容器技术数据的计算

（一）额定容量与电容量计算公式

Q×103

314U2

C=（μF）（1-4）

式中Q——电容器的额定容量，kvar；

C——电容器的电容量，μF；

U——电容器的额定电压，kV。

（二）并联电容器电流的计算

1、按标称容量和额定电压计算电流

单相IC=（A）（1-5）

三相IC=（A）（1-6）

式中IC——电容器额定容量，A；

Q——电容器标称容量，kvar；

U——电容器额定电压，kV。

2、按电容器的实际电容值和额定电压计算电流（f为工频50Hz）

单相IC=0.314CU（1-7）

三相IC=（1-8）

式中IC——电容器的实际电流值，A；

Q——电容器的实际电容值，μF；

U——额定电压，kV。

一般来讲，按第2种方法计算，更接近于实际情况。

3、由单台电容器组成的三相电容器组的电流计算

Y形接线的电容器组，线电流与相电流相等，线电压等于倍的相电压

U

QC

IC=Ixg=（A）（1-9）

形接线的电容器组，线电流等于相电流的倍，线电压等于相电压

QC

UX

IC=（A）（1-10）

式中QC——电容器组三相总容量，kvar；

（三）电容器容量的选择

电容器安装容量的选择，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线路损失等因素来确定。

1、按提高功率因数确定补偿容量

按提高功率因数确定补偿容量的方法简便明确，为国内外所通用。

根据功率补偿图中功率之间的向量关系，可求出无功补偿容量Qc，

QC=Ptgφ1-Ptgφ2=P（tgφ1-tgφ2）（kvar）（1－11）

式中P——最大负荷月的平均有功功率，kW；

tgφ1、tgφ2——补偿前后功率因数角的正切值；

COSφ1、COSφ2——补偿前后功率因数值。

（1－12）

令式两端除以有功功率P，得补偿率系数K

或补偿率系数K，是功率因数由COSφ1提高到COSφ2时，每千瓦有功功率所需要补偿的无功容量。

根据式（1—11），可以计算出各种功率因数由COSφ1提高到COSφ2时的K值，然后列成表1—1。

那么，就可以利用查表法，求出无功补偿容量QC。

查表法：

按补偿前功率因数COSφ1和补偿后功率因数COSφ2，查表1－1，查出相应的K值，K值乘以最大负荷的月平均有功功率P，即可按式（1－12）计算出所需要的无功补偿容量。

表1—1每1KW有功功率所需补偿容量（kvar/kw）

补偿前

补偿后

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

0.44

1.288

1.343

1.392

1.445

1.499

1.553

1.612

1.675

1.749

1.836

2.089

0.46

1.180

1.234

1.285

1.377

1.394

1.445

1.504

1.567

1.641

1.728

1.981

0.48

1.076

1.130

1.181

1.233

1.287

1.341

1.400

1.463

1.537

1.624

1.827

0.50

0.981

1.035

1.086

1.138

1.192

1.246

1.305

1.368

1.442

1.529

1.736

0.52

0.890

0.944

0.995

1.047

1.101

1.155

1.214

1.277

1.351

1.438

1.641

0.54

0.808

0.862

0.913

0.965

1.019

1.073

1.132

1.195

1.269

1.356

1.559

0.56

0.728

0.782

0.833

0.885

0.939

0.993

1.052

1.115

1.189

1.276

1.479

0.58

0.655

0.709

0.760

0.812

0.866

0.920

0.979

1.042

1.116

1.203

1.406

0.60

0.583

0.637

0.688

0.740

0.794

0.848

0.907

0.970

1.004

1.131

1.334

0.62

0.515

0.569

0.620

0.672

0.729

0.780

0.839

0.802

0.976

1.063

1.266

0.64

0.450

0.504

0.555

0.607

0.661

0.715

0.774

0.837

0.911

0.998

1.201

0.66

0.388

0.442

0.493

0.545

0.599

0.653

0.712

0.775

0.849

0.936

1.139

0.68

0.327

0.381

0.432

0.484

0.583

0.592

0.651

0.714

0.788

0.875

1.078

0.70

0.270

0.324

0.375

0.427

0.481

0.535

0.594

0.657

0.731

0.818

1.021

0.72

0.212

0.266

0.317

0.369

0.423

0.477

0.536

0.599

0.673

0.760

0.963

0.74

0.157

0.211

0.262

0.314

0.368

0.422

0.481

0.544

0.618

0.709

0.906

0.76

0.103

0.157

0.208

0.260

0.314

0.369

0.427

0.490

0.567

0.651

0.854

0.78

0.052

0.106

0.157

0.209

0.263

0.317

0.376

0.439

0.513

0.600

0.803

2、按提高电压确定补偿容量

按提高电压要求确定补偿容量的方法，适用于以调压为主的枢纽变电所和电网末端的用户变电所。

其补偿容量按提高电压的要求，采用近似计算法求出（实际应用中用户很少采用此法）。

其近似计算法公式为：

△UU2

QC=（kvar）（1-13）

X

式中△U——需要提高的电压值；V；

U2——需要达到的电压值，KV；

X——线路电流，Ω。

3、按降低线损确定补偿容量

按降低线路电能损耗的要求确定补偿容量的方法，比较繁琐，很少被人采用。

但它可以说明补偿容量与线损降低率之间的关系，还有一定实用价值。

安装电容器以后线损降低率可按下式求出：

由上式可以绘制出图7—7的曲线。

欲求电容器的补偿容量，可根据原有功由上式可以绘制出图7-7的曲线。

欲求电容器的补偿容量，可根据原有功率因数和已知的线损降低率，查图7-7曲线，得补偿后需要达到的功率因数，然后将补偿前后的功率因数代入式（1-10）中，即可求出所需安装的电容器容量。

（4）按感应电动机空载电流确定补偿容量

图4线损降低率与提高功率因数关系曲线由上式可以绘出图4的曲线，欲求电容器的补偿量，可根据原有功功率和已知的线损降低率，查图4曲线，得补偿后续达到的功率因数，然后将补偿前后的功率因数带入式（1-14）中，即可求出所选装的电容其容量。

4、按感应电动机空载电流来确定补偿容量

感应电动机个别补偿时，应按其空载电流来选择电容器的容量，其计算公式为

QC≤UeIokvar（1-14）

式中Ue——电动机的额定电压，KV；

Io——电动机的空载电流，A。

由于一般感应电动机的空载电流约占额定电流的25—40%，因此，电动机的单台无功补偿容量也相应为其容量的25—40%。

七并联电容器的接线

（一）线径的选择。

连接补偿电容器的接线线径大小必须根据电容器额定电流的大小来选择。

电容器的额定电流是：

（1--8）

式中

——电容器额定电流（A）

——电容器额定功率（Kvar）

——电容器额定电压（KV）

电容器的额定电流也可以用估算的办法来计算，即每1Kvar相当于2A，这个数比实际电流略大。

（二）接线方法。

对于10Kvar以下的小容量电容器，如果单台接线，可把线直接接在电容器的接线柱上，而对于10Kvar以上的较大容量的电容器，必须用接线卡连接，因为这类电容器的额定电流都在20A以上，导线较粗，特别是采用电缆接线，毛刺较多。

电容器的接线柱又都很近，往往容易造成放电短路损坏设备。

（三）放置位置。

合理选择电容器补偿的安装地点十分重要。

并联电容器不能放置过热，漏雨，滴水，易挤，易压易砸和妨碍交通的地方，也不能放置得离补偿设备太远的地方，以免造成不必要的损失。

应尽量选择在低压台区负荷中心，以取得最优的就地补偿效果，减少无功潮流在配电网络中的长距离传输，达到经济运行的最终目的。

若电容器安装在专用的电容器室内，要保证电容器室有良好的通风，电容器室采用人工照明。

若电容器安装在室外，应将其安装在台架上