低压动态无功补偿的毕业设计.docx

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低压动态无功补偿的毕业设计

本科生毕业设计（论文）

题目：

低压动态无功功率补偿装置的设计

学生姓名：

韩玉倩

系别：

机械与电气工程系

专业年级：

2008级本科四班

指导教师：

朱玉华

2012年5月19日

摘要

随着现代工业的飞速发展，电力系统负荷的增加对电能质量的要求越来越高和无功功率的需求也日益增加，无功补偿是电能质量的重要保证。

无功功率在电网中传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。

在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能是向感性负载设备就近提供无功功率。

由于用电设备中感性负载设备用电量占整个用电量的三分之二以上，显然针对感性负载提供无功功率对于降低线损，降低供电设备容量，改善供电线路的功率因数以及稳定电力系统的电压起到至关重要的作用。

文章介绍了有关于无功补偿的概念、意义，阐述了国内外无功补偿的现状与发展趋势，及其一些基础知识，并介绍了基于TSC的无功补偿器，最后介绍了无功补偿的发展前景。

关键词：

无功补偿；功率因数；TSC；发展前景

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofmodernindustry，electricpowersystemloadincreasestotheelectricpowerqualityrequirementsofthemoreandmorehighandreactivepowerdemandisincreasing，thereactivepowercompensationistheimportantguaranteeofpowerenergyquality．Transmissionofreactivepowerinelectricnetworkwillcausethenetworklossandstep-downvoltage,maketheenergyutilizationrategreatlyreducedandtheseriousinfluencethequalityofpowersupply.Inthelowvoltagepowersupplysystem，lowvoltagereactivecompensationdeviceisthefunctionoftheinductiveloadequipmentneartoprovidereactivepowerBecausetheelectricequipmenttotheperceptualloadofthetotalpowerconsumptionequipmentofpowerconsumptionofthetwo-thirds．apparentlytargetedperceptualloadprovidereactivepowerforreducingthelineloss，reducesthepowersupplyequipmentcapacityandimprovethepowerfactorofpowerlinesandpowersystemvoltagestabilityofplayacrucialrole．Thispaperintroducesaboutthereactivepowercompensationoftheconcept，significance，expoundsthereactivepowercompensationathomeandabroadandthepresentstatusanddevelopmenttrend，andsomebasicknowledge，andintroducesthereactivepowercompensationbasedonTSCisfinallyintroducesthedevelopmentprospectofthereactivepowercompensation．

Keywords：

Reactivepowercompensation，Powerfactor，SwitchedCapacitor，prospectsfordevelopment

前言…………………………………………………………………………………………5

第一章绪论………………………………………………………………………………6

1.1无功补偿的意义……………………………………………………………………6

1.2无功补偿问题………………………………………………………………………7

1.3低压电网中无功补偿的必要性……………………………………………………7

第二章无功功率…………………………………………………………………………9

2.1无功功率概念………………………………………………………………………9

2.2无功补偿的方法…………………………………………………………………11

2.2.1无功补偿装置的分类……………………………………………………11

2.2.2无功功率补偿装置的发展概况……………………………………………12

2.2.2并联容性补偿的方法………………………………………………………12

2.3无功补偿容量的确定………………………………………………………………16

第三章无功功率与功率因数……………………………………………………………18

3.1功率因数……………………………………………………………………………18

3.2影响功率因数的因素………………………………………………………………19

3.3提高功率因数的意义………………………………………………………………20

3.3.1提高功率因数的意义…………………………………………………………20

3.3.2提高功率因数和无功补偿……………………………………………………20

3.4无功补偿的效益…………………………………………………………………21

3.4.1节省企业电费开支……………………………………………………………21

3.4.2提高设备的利用率……………………………………………………………21

3.4.3降低系统的能耗………………………………………………………………22

3.4.4改善电压质量…………………………………………………………………22

第四章基于TSC的无功补偿……………………………………………………………23

4.1晶闸管投切电容器…………………………………………………………………23

4.1.1概述……………………………………………………………………………23

4.1.2晶闸管阀………………………………………………………………………23

4.1.3补偿电容器……………………………………………………………………23

4.1.4过零触发………………………………………………………………………24

4.2TSC主接线………………………………………………………………………24

4.3TSC的检测系统……………………………………………………………………27

4.4TSC的控制系统……………………………………………………………………27

4.5TSC的应用现状、问题与解决方案………………………………………………28

第五章无功补偿的发展………………………………………………………………31

第六章结论……………………………………………………………………………35

参考文献……………………………………………………………………………………36

致谢…………………………………………………………………………………37

前言

无功补偿在低压电网中的配比及作用是维持电流顺畅的重要条件因素，也是提高电网工作效能的核心因子。

供电过程中注意无功补偿的合理运用,可以获得最好的技术和经济效益。

功率因数是供电系统重要的参数，用户功率因数的高低直接关系到电力电网中的功率损耗，关系到节约电能和整个供电区域供电的质量，同时也影响到企业的经济效益，因此功率因数的提高，已成为电力系统中的重要课题。

功率因数不高的主要原因是近年来，随着国民经济的跨跃式发展，电力负荷的快速增长对无功功率的需求也大幅度上升，无功补偿为改善电压质量起着重要作用。

同时，随着粗放型经济向高科技、高技术转变，对电能质量的要求也显著提高，而配电网中整流器、变频调速装置、电孤炉以及各种电力电子设备的大量应用。

由于这些设备或负荷具有非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染，对电力系统的安全运行形成了严重危害，特别严重的是谐波极易造成系统发生某次谐波的谐振，使系统产生过电压，危及系统和设备安全运行。

而无功补偿的主要装置并联电容器组对谐波起着放大作用。

因此，有源滤波已受到各方的重视。

一般情况下，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，并且为了减少有功损失和电压降落，不希望大量的无功功率在网络中流动。

所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。

随着现代电力电子技术的发展，在工业中大量使用各种开关器件，在用电设备和电网之间有着大量的无功功率的往复交换，同时产生大量的谐波，使供电品质下降，谐波使电能的生产，传输和利用效率降低，使电气设备过热，产生震动和噪声，电器过压烧毁，更为危险的是谐波引起继电保护和自动控制装置误操作，造成更大的电气损坏。

国内用于动态补偿的控制器，与国外同类产品相比有较大的差距，一是在动态响应时间上较慢，动态响应时间重复性不好；二是补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体投资费用高。

另外，相应的国家标准也尚未达到，这方面有待于发展。

第一章绪论

1.1无功补偿的意义

随着我国经济改革的不断深入，经济发展速度越来越快，工业企业数量发展迅速，人民生活水平不断提高，这导致电力负荷的增长速度迅猛，相比较而言，发电机的装机容量和输配电能力显得不足，致使全国的多数省份出现供电紧张的“电荒”情况，尤其是经济发达地区和一些用电负荷较大的大中型城市。

更有甚者部分省、市的用电高峰期出现了采取拉闸限电以保证电网正常运行，严重制约了国民经济的发展，也给人民群众的日常生活带来极大不便。

在各种不同的工矿企业以及人民日常生活的用电中，都不同程度的存在着功率因数偏低的现象。

如工矿企业建设时供电容量都较大，如果企业没有满负荷运行就会出现功率因数偏低的现象。

电力系统的用电负荷主要分为感应电动机、变压器、感应电炉与电弧炉、电焊机和电焊变压器、整流设备等，这些用电设备在消耗有功功率的同时都会消耗大量的无功功率，造成电网功率因数偏低。

就我国来说，电动机所耗的电能占整个工业用电的60％～70％。

根据上海市的统计资料，仅风机、水泵两项就占工业用电的40％左右，加之其他种类的电动机负载，整个电动机的耗电量超过全部工业用电的60％以上。

大量的感性负载的使用使得电网必须提供足够的无功容量来满足负载要求，否则会造成电网电压降低，电网供电质量下降的不良后果。

感性负荷分布的不规律性也要求电网根据负荷情况合理分配无功，否则容易形成大量无功功率在电网的流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同时也增加了供电成本，影响电力系统供电的经济性，尤其是在我国的农网供电区域内，变电站数量少，供电线路覆盖面积大，长距离供电成为一种普遍的现象，过低的功率因数使得线路损耗增大，供电网末端电压下降较大，这也间接的提高了供电成本。

解决上述问题的一个简单而行之有效的办法就是对电网进行无功功率补偿。

电力系统无功功率主要来源就是采用各种无功补偿设备，本着尽可能就地补偿的原则在各个环节对电网进行无功功率补偿。

随着电子技术的发展，无功补偿设备越来越智能化，带有微处理器控制器的智能无功补偿设备在电力系统中的应用越来越广泛，本课题就是在这种背景下提出来的。

试图就高性能、多功能的智能低压无功补偿装置的设计进行有益的探讨。

1.2无功补偿问题

无功补偿，就其概念而言早为人所知，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。

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。

无功功率主要是电动机、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”。

无功功率是电力系统一种不可缺少的功率，它与电力系统运行的经济性和电能质量有重大的关系。

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。

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。

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，自然功率因数较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需由电源输送的无功功率。

功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，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。

为了减少无功功率在电网中的流动，提高企业无功功率补偿装置的经济效益，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则。

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。

1.3低压电网中无功补偿的必要性 

无功补偿是稳定低压的必然选择，电压的稳定是电网输送过程中的重要条件,也是电力输送质量不可缺少的方面。

无功补偿有利于降低系统的能耗，我们可根据P=IUCOSφ的计算公式来测算无功补偿降低电力系统能耗的作用情况。

根据I1/I2=cosφ2/cosφ1来计算,线损P减少的百分数为:

ΔP%=（1-I2/I1）×100%=（1-cosφ1/cosφ2）×100%,也就是说当功率因数从0.75提高到0.90时，由上式可求得有功损耗将降低25%～40%。

这是意想不到的效果。

无功补偿是企业开支节流的有效途径，根据国家电价制度,对不同企业的功率因数有不同的要求，并按照不同的数值进行梯度收费。

对此，很多企业特别注重对机器设备的节能保养，以便减少开支。

无功补偿的运用则可达到上述要求，能够帮助企业减少在正常开机后的损耗，节约成本。

无功补偿能够稳定电压，根据电压损耗的计算公式可知，变压器的电压几乎全为输送的无功功率Q产生的，无功功率Q在电压稳定中具有不可替代的作用。

对此,若在输电过程中，尽量地减少无功功率Q，则不仅能够保持电压的稳定，还能够保证大型电动机的顺利起动。

第二章无功功率

2.1无功功率概念

无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。

在直流系统或者纯阻性负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补偿问题。

在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。

有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机能、光能、热能）的电功率，有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）。

无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。

它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。

凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率，无功功率的符号用Q表示，单位为乏或千乏。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。

电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。

变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。

因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。

如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：

（1）降低发电机有功功率的输出。

（2）降低输、变电设备的供电能力。

（3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

（4）造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。

这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。

U

图2-1无源一端口网络

对于如图2－1所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的端口，设电路中正弦交流电压为

（2-1）

端口等效负载为ｚ，则流过负载电路中的电流为

（2-2）

当负载ｚ不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值φ，即此时电流表示为

（2-3）

此时电路的有功功率ｐ就是其平均功率，即：

（2-4）则

（2-5）

可以看出，有功功率ｐ不再是电压Ｕ和电流Ｉ的有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。

电路的无功功率定义为：

（2-6）

无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会像有功功率那样被消耗掉。

电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即：

（2-7）

视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。

从上式（2－5）（2－6）（2－7）可以看出，无功功率、有功功率、视在功率在数值时上满足如下关系：

在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即

>0。

无功功率Q>0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无功功率；当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时

<0，无功功率Q<0，我们说网络“吸收”容性无功功率，也可以说是“发出”感性无功功率。

无功功率的“发出”和“吸收”不同于有功功率的发出和吸收，这只是一种习惯说法而已。

2.2无功补偿的方法

2.2.1无功功率补偿的分类

无功补偿有很多种类：

从补偿的范围划分可以分为负荷补偿与线路补偿，从补偿的性质划分可以分为感性补偿与容性补偿，从补偿的方式划分可以分为串联补偿与并联补偿。

串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。

而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。

并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。

系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。

负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。

负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿。

静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。

该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。

真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977年提出分相控制的静止无功补偿器的方法后开始的。

分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。

因此，该方法一提出就受到了普遍关注。

2.2.2无功功率补偿装置的发展概况

早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。

同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。

自二三十年代以来，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着重要作用，但它属于旋转设备，运行过程中的损耗和噪声都比较大，维护复杂，且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，目前在现场仅有少量使用。

并联无功补偿电容器具有结构简单、经济、方便等优点，按电容器安装的位置不同，通常有三种补偿方式：

集中补偿、分组补偿、就地补偿。

一，集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6～10kV母线上，用来提高整个变电所的功率因数，保障供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。

二，分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或终端配电所高压或低压母线上，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅补偿容量和范围相对小些，但补偿效果比较明显，采用比较普遍。

三，就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感用电设备附近，就地进行无功补偿，这种补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。

若能将这三种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的经济效益。

并联电容器的缺点是只能补偿固定无功，且容易与系统发生并联谐振，导致谐波放大，但是并联电容器在其它方面的优势突出，因此到目前为止仍是我国主要的无功补偿方式。

2.2.3并联容性补偿的方法

所谓并联容性补偿就是指在线路中接入并联连接的设备，用于向线路中提供容性的无功电流。

由于容性无功电流超前电压90°，而感性无功电流滞后电压90°，因此容性无功电流可以抵消感性无功电流。

又由于电网中的负荷绝大多数是感性负荷，因此在电网中用于负荷补偿的装置绝大部分是并联容性补偿。

从另一个角度去看，我们可以将无功补偿装置看成是发无功电流的设备，负荷是吸收无功电流的设备，无功补偿装置所发的无功电流用于供应负荷吸收的无功电流。

因此，总是将无功补偿装置安装在负荷的上端（电源端）。

在完全补偿的情况下（上端功率因数=1），无功电流只在无功补偿装置与负荷之间的线路中存在，在无功补偿装置以上的线路中没有无功电流。

（1）同步调相机

调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它只输出无功电流。

因为不发电，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。

调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。

当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。

当减少激磁电流时，其输出的容性无功电流减少。

当激磁电流减少到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。

当激磁电流进一步减少