电网电容式无功补偿器的系统设计与研究

电网电容式无功补偿器的系统设计与研究内容摘要：

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 Ⅲ。 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。 （ 4）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 2020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。 电网电容式无功补偿器的系统设计 5 第 2 章 无功补偿基本原理 需要进行无功补偿的原因 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，是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。 无功功率比较抽象，它是电路内电场与磁场的交换，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，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。 但是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。 无功补偿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，能量在两种负荷之间相互交换。 这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 将电容器与电感并联在同一电路中，电感吸收能力时，电容器正好释放能量。 而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。 能量就这样在它们之间交 换。 即感性负荷所吸收的无功功率可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。 因此，把由电容器组成的装置称作为无功补偿装置。 此外，同步发电机、调相机等也可作为无功补偿装置。 电力网络功率理论 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 21 所示 福州大学 至诚 学院 本科生毕业设计 (论文 ) 6 图 21功率三角形 公 式如下：  c o sc o s UIsP  (21)  s ins in UIsQ  (22) UIS (23) 其中 U为电压有效值， I为电流有效值。 cosφ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。 电网电容式无功补偿器的系统设计 7 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 ，低压侧功率因数不低于 ，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 22所示，功率因数角由 φ1降到 φ2。 从功率三角形可得所需补偿的无功容量为： )( 21  tgtgPQ C  (24) 补偿前后的功率三角形如图 22 所示。 图 22 补偿前后功率三角形 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。 电网无功补偿的三种情况 （ 1）无功功率滞后 欠补偿由于补偿的电 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。 （ 2）无功功率超前 过补偿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。 福州大学 至诚 学院 本科生毕业设计 (论文 ) 8 （ 3）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。 电网无功补偿效益 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 ～。 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 ，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。 （ 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经济意义。 （ 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。 补偿前后线路传送的有功功率不变， P= UICOSφ，由于 COSφ提高，补偿后的电压 U2稍大于补偿前电压 U1,当功率因数从 ～ ，有功损耗将可以降低 20%～ 45%。 （ 4） 改善电压质量。 无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过 3%）。 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。 并联电容器的投切方式 等电压投零电流切的新型无触点开关电路的接线如图 23 所示，图中 J 为交流接触器的触点。 其运行操作顺序说明如下：当投入电容器时，先由微电脑控制器发出信号给晶闸管开关电路，使之在等电压时投入电容器，微电脑的控制器紧接着又发信号给接触器 J，电网电容式无功补偿器的系统设计 9 使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于接触器 J 闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路 使用寿命的目的。 当需要切除电容器时控制器先发信号给接触器，使接触器触点 J 断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关电路在电流过零时，将电容器切除。 本方案的优点是：运行功耗低、涌流小、谐波影响小，制造成本低，开关电路和接触器的使用寿命长。 图 23 等电压投零电路切电路 并联电容器的三种接线方式 （ 1） 三相共补接线方式 这种接线方式是传统低压补偿所采取的方式，据控制器统一取样，三相投入相同的补偿量，此种接线方式适用于三相负载较为平衡且各相功率因素相近的网络，其接线图如图24 所示。 图 24 并联电容器 Δ 接三相共补接线 福州大学 至诚 学院 本科生毕业设计 (论文 ) 10 （ 2）三相分补接线 三相分补接线就是各相分别取样，各相分别投入不同的补偿容量，这种接线方式适用于各相负载相差较大且功率因数的值也相差较大的场合。 与三相公布的不同是它采用的是Y 型接法，器接线图如图 25 所示。 图 25 并联电容器 Y 接三相分别接线 （ 3）三相共补与分补结合的接线方法 为了能够更加合理节能，我们也可以采用三相共补与三相分补相结合的方式即 ΔY 接线。 这种接线方式运行方式灵活，且能够节约投资成本。 其接线图如图 26 所示。 图 26 三相共补与分补结合 电网电容式无功补偿器的系统设计 11 电 网无功补偿中谐波的抑制 谐波的产生及其危害 电力电子技术的应用推动了近代电力系统的发展，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染问题。 高次谐波已成为电力系统的一大 “公害 ”，必须采取有效的措施来加以抑制。 随着电力电子器件及微电子技术的迅速发展，大量的非线性用电设备广泛应用于冶金、钢铁、能源、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧钢机械和高频设备等接入电力网，是电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。 谐波是由谐波电流产生的，当正弦电压施加在非线性负荷上时，电流变为非正弦波，由于负 荷与电网相连，非正弦电流就会注入电网，在电网阻抗上产生压降形成非正弦波，使电压或电流畸变，所以非线性负荷就是电网的谐波源。 谐波为电网的公害，因为谐波电流的存在不单会引起电压波形的畸变而且还会对电网和电气设备产生多方面的危害，因此在配电网中对谐波进行抑制是必须的。 大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。 当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害：在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出 ，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至。