无功功率动态补偿装置.docx
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无功功率动态补偿装置
2012届
分类号：
TM731
单位代码：
10079
华北电力大学
毕业设计（论文）
无功功率动态补偿装置
题目：
应简洁、明确、有概括性，字数不宜超过20个字。
题目名尽量与设计内容一致，注意体现实用性、应用性和科学性。
另外注意：
1、设计是否有足够的工作量；
2、能否体现项目来源于实际或可以应用于实际。
3.此处题目不带书名号。
姓名王新华
学号200810230106
年级2008级
注意格式美观。
专升本的要在年级项中注明，如2006级（专升本）
专业电气工程及其自动化
★英文扉页调整：
英文扉页格式如下页，为防止调用模版时整乱格式，特加表格框定，请按照要求替换相关内容，要保证原来字体样式不变，更不要修改表格属性
系（院）电力系
指导教师赵强
进行文本替换时注意不要将格式改变
2012年6月25日
诚信声明
本人呈交给华北电力大学的这篇毕业论文，除了所注参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在指导老师指导下的设计成果。
学生签名：
日期：
经检查该毕业设计（论文）为独立完成，不存在抄袭现象。
指导老师签名：
日期：
摘要
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分别采样电压、电流信号，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。
关键词：
电力系统；能量损耗；无功功率补偿；MTSC装置
Abstract
WithSCMtechnologyandelectronicmeasuringtechnology,isnowmeasuredinrealtimepowerfactorconditions,accordingtomeasurementsinatimelymannertocompensateforthedegreeofcompensationcanbesetspecificroutes.Thisdesignistheactualdevicetofinishthis.Toconsidertheharshelectromagneticenvironmenttoadapttothescenetoensurethelong-termreliableoperationofthecrashphenomenondoesnotoccur.Inthisdesign,thePTandCTweresampledbyvoltage,currentsignal,thephasedifferencecalculatedbythemicrocontroller,accordingtothecalculationresults,inputorcutparallelcompensationcapacitors.Capacitanceofthegroupcanadopta8:
4:
2:
1ratio,sothatadjustmentismoreprecise.Phasemeasurementscanbeusedtoachievesinglechipcountswithelectroniccircuits.Capacitorthrewcuttingcontrolusingsolidnon-contactswitch,highfrequencymodulationtozeropulsewidthtriggermodetoreducetheimpulsecurrent;turnedoffbythenaturalcurrentzerooff;Inputusingmemoryway,guaranteedinthedirectionoftheoriginalchargeandsystempowercapacitorinthesamedirection.
Keywords:
PowerSystems；Energyloss；Reactivepowercompensation；MTSCdevice
前言
无功功率动态补偿是电力电容无功补偿的创新，以动态无功补偿为主，改善电网质量、节约电能、提高变压器增容利用率满足增容需求、消除电磁污染和提高用电安全可靠性等功能；是静态无功补偿装置最理想的更新换代产品。
无功功率动态补偿为满足不同用户的需求，分为户内与户外两大系列产品，广泛用于工矿、医疗、科研、企事业、油田、矿山、港口、居民小区、公共设施、电网等低压无功补偿的用户；特别适用于无人值守的配电室和箱式变电站，户外型无功动态补偿装置可用于10／0.4KV或6／0.4KV的柱上变台；对低压侧负荷进行无功补偿，并可对较大的动力设备进行就地补偿。
无功功率动态补偿由电子微机调节控制。
跟踪负载无功电流变化，对多级电力电容器组进行快速投切。
经电业部门调查，农网和城网输送功率潮流的功率因数大都在0.65—0.8左右，企业内部的配电网潮流的功率因数在0.65—0.7左右。
低压用电设备由于动力设备实际作功比额定功率小及家用电器的作功特性，所以其自然功率因数大都偏低。
供电系统除供给有功功率外，还供给大量无功功率，以至发电设备输送电能至配电设备不能有效利用。
综上所述，无功补偿动态不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造。
第1章动态无功功率补偿装置概述
1.1无功功率补偿原理与实现方法
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。
1.2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，如图1-2所示，电路的矢量图如图1-3所示。
图1-2电容器等效电路图1-3等效电容器矢量图
由矢量图可列
式中：
tgδ———为介质损耗系数；δ———为介质损
耗角
由式可见：
电阻R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1-4所示。
图1-4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5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1-5
图1-5用户端动态补偿控制方案
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。
1.3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：
一种是频域分析法；另一种是时域分析法。
随着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1-6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1-6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：
（1.2）
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：
（1.3）
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
（1.4）
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）（1.5）
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
（1.6）
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。
1.4无功功率补偿技术的发展趋势
1.4.1电力有源滤波器
电力有源滤波器（activepowerfilter，APF）的基本原理如图1-7所示。
图1-7电力有源滤波器的基本原理
电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。
目前实用的装置90％以上为电压型。
从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。
并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。
目前电力有源滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。
随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。
1.4.2综合潮流控制器
综合潮流控制器（unifiedpowerflowcontroller，UPFC）将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。
1.4.3结束语
由于性价比较高，目前广泛使用的还是静止补偿器（SVC）。
其中，能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。
随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方向。
第2章补偿装置现状的调研与问题的提出
2.1无功功率补偿的种类和作用
2.1.1补偿方式
无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。
高压补偿通常是在变电所高压侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率，对补偿点后的线路和负载的无功功率起不到补偿作用；低压补偿可直接补偿配电线路和负载的无功功率，补偿效果较为理想。
高压无功补偿装置广泛地采用高压并联电容器，装设在变电站主变压器的低压侧，作用是对电网无功进行补偿，改善电网的功率因数，提高变电所的母线电压，补偿变电所主变压器和高压线路的无功损耗，充分发挥供电设备的效率。
因此应根据负荷的增长，安排、设计好变电所的无功补偿容量，运行中在保证电压合格和无功补偿效果最佳的情况下，尽可能使电容器投切开关的操作次数减少。
低压补偿方式有三种：
集中补偿、分散补偿和就地补偿。
（一）集中补偿
集中补偿是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，对无功进行统一补偿。
这种补偿方式比较适合在负荷集中、离变电所较近，无功补偿容量较大的场合。
（二）分散补偿
分散补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，适合负荷比较分散的补偿场合。
（三）就地补偿
这种方法是就地补偿用电设备（主要是电动机）所消耗的无功功率，将电容器组直接装设在用电设备旁边，与用电设备的供电回路并联，以提高用电系统的功率因数，从而获得明显的降损效益。
2.1.2无功功率补偿的作用
（一）改善功率因数及相应地减少电费
根据国家水电部，物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值，相应减少电费：
1、高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。
2、低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。
3、低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。
根据“办法”，补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜，因为超过此值，电费并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。
（二）降低系统的能耗
功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜耗。
设R为线路电阻，ΔP1为原线路损耗，ΔP2为功率因数提高后线路损耗，则线损减少
（2.1）
补偿后，由于功率因数提高，U2>U1，为分析方便，可认为U2≈U1，则
（2.2）
当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低21％左右。
在输送功率
不变情况下，
提高，I相对降低，设
为补偿前变压器的电流，
为补偿后变压器的电流，铜耗分别为
，
；铜耗与电流的平方成正比，即
（2.3）
由于P1=P2，认为U2≈U1时，即
（2.4）
可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的80％。
（三）减少了线路的压降
由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定（轻载时要防止超前电流使电压上升过高），有利于大电机起动。
（四）增加了供电功率，减少了用电贴费
对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，COSΦ提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。
对于新建项目来说，降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。
三、就地补偿与集中补偿的技术经济分析
（一）电容补偿在技术上应注意的问题
1、防止产生自励。
采用电容器就地补偿电动机，切断电源后，电动机在惯性作用下继续运行，此时电容器的放电电流成为励磁电流，如果电容过补偿，就可使电动机的磁场得到自励而产生电压，如图6所示。
因此，为防止产生自励，可按下式选用电容
（2.5）
2、防止过电压。
当电容器补偿容量过大，会引起电网电压升高并会导致电容器损坏。
我国并联电容器国标规定：
“工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。
”因此必须符合QC<0.1Ss的条件。
3、防止产生谐振。
4、防止受到系统谐波影响。
对于有谐波源的供电线路，应增设电抗器等措施，使谐波影响不致造成电容器损坏。
由此可见，就地补偿较集中补偿，更具节能效果。
四电容补偿控制及安装方式的选择
（一）就地补偿与集中补偿的有关规定
1、GB12497—90《三相异步电动机经济运行》第7.6条规定：
50kW以上的电动机应进行功率因数就地补偿。
2、GB3485—83《评估企业合理用电技术导则》第2.9条规定：
100kW以上的电动机就地补偿无功功率。
3、GB50052—95《供配电设计规范》第5.03及5.0.10规定。
4、国外用电委员会法规与专业学报均有类似规定与刊载。
（二）电容补偿方式的选择
采用并联电容器作为人工无功补偿，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡，即低压部分的无功宜由低压电容器补偿，高压部分的无功宜由高压电容器补偿。
对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜就地补偿。
补偿基本无功的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在有工业生产机械化自动化程度高的流水线、大容量机组的场所，宜分散补偿。
（三）电容器组投切方式的选择
电容器组投切方式分手动和自动两种。
对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。
高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。
（四）无功自动补偿的调节方式
以节能为主者，采用无功功率参数调节；当三相平衡时，也可采用功率因数参数调节；为改善电压偏差为主者，应按电压参数调节；无功功率随时间稳定变化者，按时间参数调节。
五电容补偿容量的选定
（一）集中补偿容量确定
先进行负荷计算，确定有功功率P30和无功功率Q30，补偿前自然功率因数为COSΦ1，要补偿到的功率因数为COSΦ2。
则
（2.6）
α为平均负荷因数。
（二）电动机就地补偿电容器容量确定
就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流，因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。
负载率越低，功率因数越低；极数愈多，功率因数越低；容量愈小，功率因数越低。
但由于无功功率主要消耗在励磁电流上，随负载率变化不大，因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数，才能得到最佳补偿效果。
2.2设计思路
无功补偿对电网节能损耗有着极为重要的作用，而现有的负荷无功波动很大，现有无功自动补偿装置虽能自动跟踪补偿负荷的无功，但不易频繁投切，不能适应动态的要求，致使当系统的功率因数变化比较大、较频繁时，系统的功率因数较低，并且投切时会产生“浪涌电流”对电容器不利。
随着单片机合电子测量技术的发展，可以实时测量系统的功率因数，通过单片机编程，根据测量结果进行一步到位的投切，补偿程度可以根据具体线路进行设定，本设计就是要完成这样的装置，并考虑适应现场恶劣的电磁环境，保证能长期、可靠的运行，不发生死机的现象。
方案比选：
方案一：
电容器分为容量相同的八组，随时检测线路的功率因数，如果低于给定值，则单片机发信号，投入一组电容器，然后再检测，只要低于给定值就再投入一组电容器，这样反复检测，直到功率因数达到给定值则停止投入。
方案二：
电容器分组采用8：
4：
2：
1（容量之比），可以组合成16种组合，随时检测线路功率因数，和给定值进行比较，查表得出补偿到给定功率因数需补偿的容量，然后一步到位的投入电容器。
方案一投切所需的时间比较长，而且容易形成“投切振荡”现象；
方案二投切所需的时间很短，调节更加精细，且能一步到位的投切，不易造成反复投切而形成“投切振荡”现象。
所以我采用了方案二进行电容器的投切。
第3章无功功率优化动态补偿装置
针对现有的电容器自动补偿装置的种种弊端，设计出了此无功功率动态补偿装置，它主要应用于城网、农网、配电网和变压器低压侧户外全自动跟踪无功动态补偿节电箱，对电力系统降损节能有重大的技术经济意义。
3.1装置简介
3.1.1装置的主要技术特点
1.真正实现无功自动跟踪投切。
采用单片机对电网无功进行自动跟踪监测；对电容器投切电子开关进行全自动控制，响应及时迅速，杜绝了对电网危害甚大的过补现象。
2.实现了对电容的等电位投入，零电流切除，投入切除一步到位，不会发生“投切振荡”和“合闸涌流”现象，彻底克服了以往交流接触器等机械触点投切电容器时涌流大，电压冲击大，打火、振动以及使用寿命短的缺点。
3.调节更加精细。
电容器分组采用8：
4：
2：
1（容量之比）的比例，使用较少的电容器即可组成16种组合，并使调节更加精细。
3.1.2本装置的意义
对电力系统而言：
1.能提高发、输、供电设备的利用率。
使用本装置后，用户负荷功率因数将大为提高（接近1.0），电网与负荷之间交换的无功功率将大为减小，有功功率可相应增加，电网负载能力得到提高，从而提高了发、输、供电设备的利用率。
例如一台1000KVA的变压器由COSΦ1=0.7提高到COSΦ2=0.95，变压器可相当于增容25℅，可有250KVA的容量被增用。
2.能降低输电线路损耗。
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