无功补偿与静止无功补偿器 论文

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摘要1ABSTRACT2第1章引言31.1.无功补偿概述31.2.无功补偿的意义和经济效益分析31.3无功补偿的降损节能效应51.4无功补偿应用领域71.5无功补偿的一般方法9第2章无功补偿原理102.1.引言102.2.无功功率及功率因数的基本含义102.3无功补偿的基本原理11第3章无功补偿点的确定及补偿方法153.1无功补偿点的确定153.2无功补偿容量计算与确定173.3无功补偿的方法20第4章静止无功补偿器254.1常用静止无功补偿器及其工作原理254.2饱和电抗器静止无功补偿装置254.3晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器264.4无功补偿方式比较28第5章SVC工作原理335.1动态无功补偿器的工作原理：335.2SVC工作原理：335.3SVC系统结构34第6章基于MATLAB的SVC仿真平台设计356.1节点图356.2静止无功补偿器对于远近负载的补偿能力366.3发电站忽然并网396.4加大电感（大电容）负载42参考文献47致谢4849 摘要用电管理的意义就是能够给用电客户端提供平稳的电能质量，电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，电压问题本质上就是一个无功问题。解决好无功补偿问题，具有十分重要的意义。根据无功功率的平衡原则，依据无功补偿的原则，介绍无功补偿技术对低电压电网功率因素的影响。通过无功补偿和电压调节。使无功功率得到了自动实时补偿，实现从离线处理到实时处理，从就地平衡到全网平衡，从单独控制到集中控制，避免了人工监视、手动投切的各种弊端。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，可以说，电压问题本质上就是无功问题，解决好无功补偿问题，具有十分重要的意义。关键词：无功功率；补偿；SVC；电压稳定49 AbstractThesignificanceofpowermanagementliesinprovidingelectricityclientwithsmoothpowerquality,thevoltageisoneoftheimportantindexesofelectricpowerquality,andthequalityofitwilldirectlyaffectPowersystemstabilityandSafeoperationofelectricalequipment,lineloss,Industryandagriculturesafetyinproduction,electricityconsumptionandthepeople'spowerconsumption.Reactivepowerisoneoftheimportantfactorstoinfluencethequalityofvoltage,anditisalsoinseparablewithvoltagequality,Essentiallyspeaking,voltageproblemisareactiveproblem.Itisofvitalsignificancetosolvetheproblemofreactivecompensation.Accordingtotheprincipleofreactivepowerbalance,andtheprincipleofreactivepowercompensation,wewillintroducetheeffectofthereactivepowercompensationtechnologytolowvoltagegridpower.Throughthereactivecompensationandvoltageregulation,reactivepowercangetautomaticandimmediatecompensation,whichachievesautomaticreal-timefromofflineprocessingtoreal-timeprocessing,fromon-sitebalancetohyperbalance,fromcontrolalonetocentralizedcontrol,andalloftheseavoidallkindsofdisadvantages,suchastheartificialsurveillance,Manualswitching.Reactivepowerisoneoftheimportantfactorstoinfluencethequalityofvoltage,voltagequalityandReactiveisinseparable,Voltageproblemisessentiallyareactiveproblem.Itisofvitalsignificancetosolvetheproblemofreactivecompensation.Keywords::reactivepower;compensation;voltagestability49 第1章引言1.1.无功补偿概述电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。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[1]。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。这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在、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，自然功率因素较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需无功功率由电源送往负荷。功率因素是供用电系统的一项重要技术指标，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。为了提高企业无功功率补偿装置的经济效益，减少无功补偿的流动，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则，以满足需要。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素，降低能耗，改善电网电压质量。1.2.无功补偿的意义和经济效益分析交流电在通过纯电阻的时候,电能都转成了热能,而在通过纯容性或者纯感性负载的时候,并不做功.也就是说没有消耗电能,即为无功功率.当然实际负载,不可能为纯容性负载或者纯感性负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候,就有部分电能不做功,就是无功功率,此时的功率因数小于1,为了提高电能的利用率,就要进行无功补偿.无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。49 在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。1.2.1无功补偿意义（1)根据用电设备的功率因数，可测算输电线路的电能损失。通过现场技术改造，可使低于标准要求的功率因数达标，实现节电目的[2]。（2)采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。（3)无功补偿，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，稳定设备运行。4)减少电力损失、线损，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。（5)改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。（6)延长设备寿命。改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10°C，寿命可延长1倍）（7)最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。（8)无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。（9)无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，确定无功功率的补偿容量，确保补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的。（10）节能降耗，减少电力支出，经济效益明显，实现可持续发展。（11）减少发电、供电设备的设计容量，减少投资，使有效投资最大化。1.2.2无功补偿的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0.70～0.85之间。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0.95左右，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[3]。49 （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。（4）.改善电压质量。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。1.3无功补偿的降损节能效应无功电源同有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低．设备损坏．功率因数下下降，严重时，会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。因此，解决电网的无功容量不足，增装无功补偿设备，提高网络的功率因数，对电网的降损节电，安全可靠运行有着极为重要的意义。当电网需要增设的确定后，即应按照“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”的总原则，进行合理的配置，以便取得最大的综合补偿效益。具体要求是：既要满足全区（地区或县）的无功功率平衡，还要满足分区（供电区）．分站（变电站）的无功平衡，尽可能地使长距离输送的无功量小，最大限度地减少功率及电能损耗。集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主。既要在变电站进行集中补偿，又要在配电线路及部分用户进行分散补偿，但大部分补偿设备应配置在配电网络中，以实现就地就近补偿。电力部门补偿与用户补偿相结合。据统计分析，无功功率大约有50％消耗在用户方面，剩下的约50％左右消耗在电力网的损耗上。因此，电力部门与用户共同进行补偿是适宜的。降损与调压相结合，以降损为主[4]。1.3.1同步发电机49 同步发电机既是有功电源，又是无功的主要电源。一般中．小型发电机的额定功率因数为0.80－0.85，即每供给万kw的有功功率，同时还供给7.5-6.2万kw的无功功率，如果发电机的有功输出未满载，在保证发电机的电压为额定电压，并且定转子电流不超过额定值的条件下，发电机的无功出力还可以适当增加[5]。1.3.2输电线路的充电功率架空线路的导线是平行排列的。导线之间形成电容，当电压加在输电线上时，线路便产生充电电流。即使线路不接负载，也有电容电流流过。由于电容电流的存在，运行中的输电线路将产生充电功率，影响沿线路各点的电压，输电功率和功率因数。因此，分析电力网的运行情时，必须计算线路的电容和充电功率。1.3.3并联电容器并联电容器（又称移相电容器）是一种无功电源，他的主要用余是补偿电力网中感性负荷需要的无功，提高网络的功率因数，并兼有调压的辅助作用。并联电容器补偿的联结方式分为单相．三相星形．三相三角形三种。在实际接电中，为了满足补偿容量的需要，往往采用多台电容器并联或串联组成电容器组，若每台电容器的容量均为C0，则由m组并联，由n台串联组成的电容器组总容量为：C＝m/n*C0并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网传输的无功较大，补偿点的电压偏低，需要大量无功使电压恢复时，电容器发出的无功反而随电压的下降成平方关系减小，促使电压更趋于下降。相反，当补偿点电压偏高，需要减少无功时，电容器随电压升高而增发无功，又促使电压升高。电容器这种无功特性满足不了电网调压要求，为此，常用带负荷调压变压器与并联电容补偿配合使用的运行方式。如果没有带负荷调压装置，一般是将电容器组分成若干组，实行分组投切。当电网电压降低或负荷功率因数减少时，投入部分电容器组；反之，则切除部分电容器组。并联电容器由于具有设备简单．安装和维护方便．本身损耗低．节电效果显著等优点，在电力网的无功补偿中得到广泛的应用。1.3.4.同期调相机同期调相机实质上是和中空载运行的同步电动机，既是一种专用的无功功率发电机，他不带任何机械负载，仅从电网上吸收少量的有功功率以供给本身的损耗。调相机的主要用途是发出无功功率，提高电网功率因数，改善电压质量，提高电力系统运行的稳定性。由于调相机容量较大，只能集中使用，一般装于大型的枢纽变电站内。1.3.5.无功静止补偿装置49 无功静止之补偿装置（静止补偿器），是一种技术先进．调节性能好的动态无功功率补偿设备。主要由并联电容器组．可调饱和电抗器以及检测与控制系统三部分组成。静止补偿器兼有电容器和调相机二者的优点，既可在几个周波内快速完成调节，保持网络电压稳定，增强系统的稳定性。静止补偿装置主要用于：具有冲击性负荷的大型工业用户。在高压、超高压远距离输电线路末端，用于解决电压稳定问题。用于电网内的集中调压措施。1.3.6.同步电动机的调相运行同步电机调相运行是一种特殊的运行方式，即发电机不发有功，只发无功。主要作用是补偿电网的无功不足。1.3.7.同步电动机进相运行同步电动机是一种无功补偿设备，主要带机械负荷。它有两种运行方式：迟相运行（欠励磁运行，功率因数滞后），从电网吸收无功；进相运行（过励磁运行，功率因数超前），向电网输送无功。同步电动机造价较贵，维护较复杂，只有大容量时才采用。1.3.8.异步电动机的同步化运行一般的绕线式异步电动机，可以改为同步化运行，向电网提供无功。其无功出力可以达到其额定有功功率的80％以上。但改造费较高，不经济，有功损耗增加，运行稳定性较差.1.4无功补偿应用领域1.4.1电弧炉作为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影响，其中主要影响有：导致电网三相严重不平衡，产生负序电流，产生高次谐波，其中普遍存在如2、4偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更为复杂化，存在严重的电压闪变，功率因数低[6]。SVC具有快速动态补偿、响应速度快的特点，它可向电弧炉快速提供无功电流并且稳定母线电网电压，最大限度地降低闪变的影响，SVC具有的分相补偿功能可以消除电弧炉造成的三相不平衡，滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。1.4.2轧机及其他大型电机对称负载引起电网电压降及电压波动，严重时使电气设备不能正常工作，降低了生产效率，使功率因数降低；负载在传动装置中会产生有害的高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。安装SVC系统可解决上述问题，保持母线电压平稳，无谐波干扰，功率因数接近1。1.4.349 城市二级变电站（66kv/10kv）:在区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统无功，改善功率因数，这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统稳定性等问题。TCR结合固定电容器组FC或者TCR+TSC可以快速精确的进行容性及感性无功补偿，稳定母线电压、提高功率因数。并且，在改造旧的补偿系统时，在原有的固定电容器组的基础上，只需增加晶闸管相控电抗器（TCR）部分即可，用最少的投资取得最佳的效果，成为改善区域电网供电质量的最有效方法。1.4.4电力机车供电:电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重的“污染”，因电力机车为单相供电，这种单相负荷造成供电网的严重三相不平衡及较低的功率因数，目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装SVC系统，通过SVC的分相快速补偿功能来平衡三相电网，并通过滤波装置来提高功率因数。1.4.5矿用提升机：提升机作为大功率、频繁启动、周期性冲击负荷以及采用硅整流装置对电网造成的无功冲击和高次谐波污染等危害不仅危及电网安全，同时也造成提升机过电流、欠电压等紧停故障的发生，影响了矿井生产。因此对提升机供电系统进行无功动态补偿和高次谐波治理，对于提高矿井提升机和电网的安全运行可靠性、提高企业的经济效益意义巨大。提升机单机装机功率大，在矿井总供电负荷中占的比重较大。伴随煤矿生产规模的扩大、井筒的加深，要求配套的提升机装置容量也越来越大，单机容量已达到2000～3000kW，有的甚至达到5400kW，单斗提升装载量达34t。这么大的负载启动将对电网造成很大的冲击电流，无功电流成分较大，功率因数较低。所以大功率提升机对供电电网的容量和稳定性要求更高。其中大功率提升机主要的问题是：引起电网电压降低及电压波动；高次谐波，其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化；功率因数低。彻底解决上述问题的方法是用户必须安装具有快速响应速度的动态无功补偿器(SVC)。SVC系统响应时间小于lOms，完全可以满足严格的技术要求。1.4.6远距离电力传输：全球电力目前正在趋向于大功率电网，长距离输电，高能量消耗，同时也迫使输配电系统不得不更加有效，SVC可以明显提高电力系统输配电性能，这已在世界范围内得到了广泛的证明，即当在不同的电网条件下，为保持一个平衡的电压时，可在电网的一处或多处适合的位置上安装SVC，以达到如下目的：稳定弱系统电压、减少传输损耗²增加传输动力，使现有电网发挥最大功率提高瞬变稳态极限49 增加小干扰下的阻尼增强电压控制及稳定性缓冲功率振荡²1.4.7其他通用领域油田，水泥化工等领域随着节能改造的有着较多的传动及变频调速等电力电子装置，其产生有害的高次谐波危害其他用电设备，导致用电效率降低，其他用电设备发热寿命降低。1.5无功补偿的一般方法无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点[7]。1.5.1低压个别补偿低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行（如大中型异步电动机）的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。1.5.2低压集中补偿低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切补偿装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配电变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。1.5.3高压集中补偿高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6~10kv高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用;补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因素，避免功率因素降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。49 第2章无功补偿原理2.1.引言随着国民经济的迅猛发展，用电量的急剧增加，电网的经济运行成为一个日益受到关注的焦点问题。降低网损、提高电力系统输电效率和运行的经济性是电力系统运行部门面临的突出问题，提高电力系统的无功功率补偿效率和力度，有效改善电力系统的功率因数是提高电力系统安全经济运行的一个重要有效途径。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿,不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损,使电力系统能够安全经济运行。在满足电压质量要求的情况下，使网损最小，降低运行费用，以取得可观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起。2.2.无功功率及功率因数的基本含义2.2.1无功功率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”。2.2.2功率因数概率有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间是直角三角形关系，称为功率三角形，见下图2-1所示。有功功率与视在功率的比值称为功率因数，用cosφ表示。无功功率越大，功率因数越低[8]。图2-1功三角形49 2.3无功补偿的基本原理2.3.1原理.电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90℃.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90℃.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180℃.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小.2.3.2无功功率补偿的作用无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。无功的经济补偿对于电力系统而言，在高压侧或低压侧均可进行补偿。但是，如果在低压侧进行补偿，既可减少变压器、输电线路等的损耗，又可提高变压器、输电线路的利用率及提高负载端的端电压，所以补偿电容器的安装越靠近负载端，对用户而言越可获取较大的经济效益。在负荷侧补偿无功后，流过电网的总电流为（2-1）式中I—总电流Ip—有功电流IQ—无功电流Ic—补偿电容电流49 图2-2无功功率补偿原理图S1为功率因数改善前的视在功率，cosφ1为无功补偿前的功率因数；S2为功率因数改善后的视在功率，cosφ2为无功补偿前的功率因数；补偿后功率因数明显提高。由图1可见，装设补偿电容器后，不但改善了负荷侧的功率因数，补偿了用电负荷所需的无功功率，并且可以降低电网的总电流。无功补偿的作用可分为：（1）降低线路损耗无功功率是由无功电流产生的，由于线路存在电阻，无功电流经过线路时会发热而产生损耗，因此通过无功补偿减少无功可以降低线路损耗。当电流通过电阻为R的线路时，其功率损失为（2-2）式中：I—流过线路的电流,A；Q—线路传输无功功率，Kvar;Cos—线路负荷的功率因数.由于有功损耗与cosφ成反比，所以提高功率因数cosφ可以大大降低线路损耗。（2）增加电网的有功传输能力电网的传输能力体现在视在功率，在视在功率不变的情况下，通49 过无功补偿减小无功后，将增加有功功率的传输。若P1和P2为补偿前后的有功功率，cosφ1和cosφ2为补偿前后的功率因数，则：△P=P2-P1=S（cosφ2－cosφ1）（2-3）P为补偿前后的有功功率增量。从上式可见，在视在功率S不变的前提下，线路传输有功功率将有所增加，其增加值为△P。（3）减小输电设备容量输配电设备以视在功率计，在有功功率不变的情况下，通过无功补偿减小无功后，将减小对输配电设备容量的要求。在保证有功负荷P不变的条件下增加无功补偿时，可以减少设备容量。这是因为（2-4）当提高后，在输送同样的有功功率的情况下，上式的是负值，即可以减少视在功率。(4)改善电压质量无功功率由无功电流产生的，由于输配电系统存在电阻，无功电流通过时产生电压降，因此通过无功补偿减小无功可以减小电压降，从而改善电压质量。配电电路电压损失的计算公式为（2-5）电压损失率的计算公式为（2-6）式中R、X—分别为线路的电阻和电抗，；Ue—线路电压，KV。当线路加装补偿电容器后，其电压损失减小值为49 （2-7）其中，可见，无功补偿后，可使电压损失下降，其下降值为U％。（5）节省电费支出。1）.因线损降低而节省的电费①直接按线路和变压器损失降低计算：△F=[(△P1+△Pb)－tanδ]Tβ②用无功功率经济当量估算节省的电费支出：△F=(Cb-tanδ)QcTβ式中F——节省的电费支出，元；P1——减少的线路损失，kW；Pb——减少的变压器损失，kW；Cb——无功功率经济当量，kW/kvar；Qc——无功补偿容量，kvar；T——补偿装置运行小时数，β——单位有功电度价格，元/(kW.h)tanδ——补偿设备的介质损耗，kW/kvar。2）.因功率因数提高而减少由于力率考核等因素而发生的电费支出[9]。49 第3章无功补偿点的确定及补偿方法3.1无功补偿点的确定潮流功率方向送端为S、受端为露的简单交流支路示于图1中，该支路计及线路电阻RSR、电抗XSR(支路两端的接地电容支路并人该支路的两端节点来考虑)．取S、R端的电压为US、UR，支路电流为ISR，支路送端s输入的有功功率和无功功率分别为PSR、QSR受端，置输出的[10]。有功功率和功功率分别为PRS、QRS。图3-1简单交流图3-1简单电路的支路电压方程为（3-1）即（3-2）（3-3）式中，URx、URy和ISRx、ISRy分别是受端电压UR和支路电流ISR的有功分量与无功分量。受端输出的功率为（3-4）即49 （3-5）（3-6）在式(3-2)、(3-3)、(3-5)、(3-6)中，消去其电流分量后．该方组可表示为（3-7）（3-8）式（3-7）、（3-8）中，支路导纳（3-9）一般输电线路中的电纳bSR<0，为突出无功功率正负的数学意义，取电导g=gSR，电纳b=-bSR。则以电压分量为变量的式(3-7)、(3-8)的二元二次方程组的圆的标准形式为（3-10）（3-11）以URS、URy为变量，式（3-10）表示的圆UP的圆心为OP其半径为rp，式（3-11）表示的圆UQ的圆心为OQ，其半径为Rq.两圆的圆心OP、OQ的坐标分别为半径分别为（3-12）（3-13）49 两圆心之间的距离为（3-14）显然，式(3-12)和式(3-13)有解的条件为两圆的半大于等于零且两圆相交或相切。将两圆相交况作于图3-2中，将两圆相切的情况作于图3-3中式(3-13)和式(3-14)及图3-2和图3-3中可以看出。要两圆外切以满足负荷临界电压崩溃的条件取分别增加负荷的有功功率、无功功率的方法，也可以采取同时增加负荷的有功功率和无功功率的方法。图3-2两圆相交图3-3两圆相切两功率圆相切所对应的运行点P1称为交流电路工作域与崩溃域的分界点，即图3-1电路的临界电压崩溃运行点。根据外切圆的负荷临界电压崩溃的条件，须有（3-15）（3-16）（3-17）如此可在潮流计算的每次迭代中，按式(15)一(17)的条件检验每条支路。若出现不满足此条件的支路，则该支路潮流已经崩溃，系统的潮流方程无解，支路受端的节点电压达到临界，该节点即为系统无功缺额最大的节点．需要在该节点采取相应的无功补偿措施。3.2无功补偿容量计算与确定无功补偿容量的确定，一般从提高功率因数、降低损耗、提高运行电压水平等三方面考虑【11】。3.2.1为提高功率因数需要确定补偿容量49 如果电力用户的最大负荷月的平均有功功率为Pav，补偿前的功率因数为cosφ1，补偿后欲将功率因数提高到cosφ2，则补偿容量为（3-18）或（3-19）当需要将功率因数提高到大于cosφ2，小于cosφ3时，则补偿容量Qc应该满足（3-20）式中Qc---所需要补偿容量，Kvar；Qav---最大负荷月平均无功功率，kvar；Pav---最大负荷月平均无功功率，kW。在考虑补偿容量时，cosφ1应采用最大负荷月平均功率因数，cosφ2的选取要适当。通常，将功率因数从0.9提高到1所需的补偿容量，与将功率因数从0.72提高到0.9所需的补偿容量相当，因此，在高功率因数下进行补偿其效果将显著下降。这是由于在高功率因数下，cosφ曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相应增加。3.2.2为降低损耗来确定补偿容量对于电力用户端的损耗，在电气参数一定的条件下，与流入用户的电流的平方成正比。如补偿前流入的电流为I1，有功、无功分量为I1和I1R，则I1＝I1R-jI1X若补偿后，流入的电流为I2，其有功、无功分量为I2R和I2X，则I2＝I2R-jI2X但是，加装电容器后，不会改变补偿前的有功分量，即I1R＝I2R，如图3-4所示。图3-4补偿前后无功电流变化补偿前的损耗为49 （3-21）补偿后的损耗为（3-22）补偿后损耗降低的百分值==（3-23）而补偿容量为===（3-24）3.2.3为提高运行电压水平来确定补偿容量用户处于配电线路的末端，运行电压较低，特别是重负荷、细线径的线路电压水平更为突出，装补偿电容以后，可以提高电压，选择多大的补偿电容才合理，而且不使网络电压超过定值。为了满足这一约束条件，也必须求出补偿容量Qc和网络电压增量之间的关系。装设补偿电容以前，网络电压可以用下式计算：49 （3-25）装设补偿电容后，电源电压U1不变，变电所母线电压U2升高到U2’，则：（3-26）（3-27）（3-28）式中Qc——每相所需补偿容量，kvar；U2’——投入电容后母线电压值，KV；U——投入电容后电压增量，KV。（3-29）式中U2L’——母线线压值，KV；UL——线电压增量。电力用户应根据自身的特点及情况，找出主要矛盾，按上述三种情况合理确定无功补偿容量。3.3无功补偿的方法3.3.1大、中型用户的无功优化补偿大、中型电力用户的无功补偿应坚持全面规划、合理布局、分散补偿、就地平衡的原则。集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主【12】。a.用户变电站的无功补偿变电站的无功补偿，主要是补偿主变压器对无功容量的要求，结合考虑内部的无功潮流以及配电线路和用电设备的无功补偿水平，来确定最优补偿容量，一般可参照以下几条原则：49 （1）变电站的无功补偿，主要用于补偿主变压器的无功损耗，其中包括空载无功损耗和负载无功损耗。35kv变电站的补偿容量一般可按主变压器容量的10％～20％来确定。（2）对于某些经常处于空载或轻载运行的变电站，可取最小补偿值（即按主变压器的空载无功损耗补偿），其补偿容量为主变压器容量的5％～10％。（3）若就地和线路的补偿水平较低，变电站可适当增大补偿容量，但应考虑在就地的无功补偿水平提高以后，这部分补偿容量才可进行调整。b.配电线路的无功补偿配电线路上安装电容器进行无功补偿，具有投资少、见效快、投运时间长、降损效果显著等优点，且安装简单，维护工作最小，事故率低，特别适用于配电线路长、负荷点多的供电状况。配电线路最优补偿的计算，包括在无功负荷不同均匀度下确定每组电容器的最佳补偿容量和最佳安装位置，如下表3-1所示。表3-1线路电容器最佳补偿容量、装设位置及降损效果负荷分布安装组数n最佳补偿容量Ic装设位置（位于主干线长度的）降损效果（％）均匀12/32/388.924/52/54/596.036/72/74/76/798.0近似均匀12/32/385.724/52/54/594.536/72/74/76/797.1不均匀14/52/388.7由上表可见，配电线路最佳补偿容量约为线路平均无功负荷的1/3～6/7，其余无功负荷由变电站10KV母线安装的电容器进行补偿，实现最优补偿后的降损效果可达86％～98％，充分显示了分散补偿的优越性。3.3.2小型用户的无功优化补偿对于广大中、小用户及农村排灌等，所面临的是低压无功补偿问题，使其达到优化补偿更为重要。a.按功率因数奖罚标准计算补偿容量（1）电力用户要达到国家规定的功率因数标准，则可以按提高功率因数的要求来确定补偿容量，计算公式如下：49 Qc=Pmax(tanφ1-tanφ2)（3-30）（3-31）（3-32）式中Qc——并联电容器补偿容量，kvar；Pmax——高峰用电时段内的最大有功负荷，KW；Qmax——高峰用电时段内的最大无功负荷；φ1、φ2——补偿前后的功率因数角。目前，由于计量装置的限制，还不可能全面实行高峰时的功率因数考核，一般还只实行按月平均功率因数值进行考核。为了简化计算，下表3-2列出了通常使用的各类用户经济功率因数值。根据补偿前、后的功率因数值，可直接查得每KW有功负荷所需要的补偿率（KW/kvar），然后乘以实际的最大负荷（或平均计算负荷），则可得到需要的总补偿容量。表3-2各类用户经济功率因数值KW/Kvar负荷类型ⅠⅡⅢ经济功率因数0.85～0.900.90～0.950.90～0.95b.按经济功率因数确定补偿容量一般电力用户的经济功率因数值，参照下列原则确定：1.由于减少了因输送无功电力所引起的有功损耗，从而获得年度的最大节能效益。2.由于进行无功补偿所花费的投资，用节约的价值相抵偿的年限为最短。3.由于进行无功补偿，从而使输变电设备的送电能力增加，并相应减少了扩建费用投资。可见，经济功率因数值是综合考虑了补偿装置的节能效益和费用支出确定的，符合最优补偿的要求。根据典型网络、典型设备的计算，各类电力用户的经济功率因数值可参见下表3-3来使用。49 表3-3每千瓦（KW）有功负荷所需无功补偿容量表kvar。3.3.3电动机随机无功优化补偿在工业消耗的无功功率中，异步电动机约占70％，因此对其实行就地补偿以提高功率因数，对节约电能有重要意义。a.电动机无功功率就地补偿意义在电动机就地附近设置电容器，随电动机一起投入运行或退出运行，这是最有效的无功功率补偿方法。其作用如下：（1）可减小配电变压器、低压配电线路的负荷电流。（2）减小配电线路的导线截面和配变容量。（3）减少企业配电变压器及配电网功率损耗。（4）补偿点无功经济当量最大，降损效果好。（5）可降低电动机起动电流。b.常用电动机就地补偿电容器容量表常用Y、YX系列电动机所需补偿容量见下表3-4、表3-5。49 表3-4Y系列380V三相异步电动机就地补偿电容器容量Kvar表3-5YX系列380V三相异步电动机就地补偿电容器容量kvar49 第4章静止无功补偿器4.1常用静止无功补偿器及其工作原理静止无功补偿器又称SVC，传统无功补偿用断路器或接触器投切电容，SCV用可控硅等电子开关，没有机械运动部分，所以较静态无功补偿装置[13]。通常的SVC组成部分为：（1）.固定电容器和固定电抗器组成的一个无功补偿加滤波支路该部分适当选择电抗器和电容器容量，可滤除电网谐波，并补偿容性无功，将电网补偿到容性状态。（2）.固定电抗器（3）.可控硅电子开关可控硅用来调节电抗器导通角，改变感性无功输出来抵消补偿滤波支路容性无功，并保持在感性较高功率因数。工作原理SVC（StaticVarCompensator)：静止无功补偿器。静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。4.2饱和电抗器静止无功补偿装置饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小[13]。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少。49 4.2.1结构：一种无功补偿装置。这种补偿器由一个多相的谐波补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成。饱和电抗器（SR）对无功功率实施控制，而电容器提供超前功率因数的偏置。简单的铁芯饱和电抗器不能作为这种补偿器来使用，因为它会导致电压和电流波形的严重畸变。SR的谐波通过采用特殊设计的多路耦合心式三-三型电抗器来最小化。这种电抗器由9个等距分布的铁芯构成，在任何时刻，9个铁芯中只有一个是非饱和的。此外，每个铁芯在每个周期的正向和负相交替饱和一次，这样，1个周期内就有18种不同的非饱和状态。这个过程导致产生的特征谐波次数为18k±1（k=1,2,3,…）次，也就是17,19,35,37等次谐波。SR的附加内部补偿将谐波水平进一步削弱到小于百分之2，因此减小了采用外部滤波器的必要性。4.2.2运行特性：SR型补偿器具有内在的电压控制能力，它直接响应端电压的变化而无需采用晶闸管开关或外部控制来调节电压。在应用于超高压系统时，SR型补偿器通过耦合变压器连接到输电系统母线上。由于SR型补偿器采用铁芯结构，因此具有内在的能够承受3∽4pu过电流的能力，这使得它非常适合于控制短时的过电压。但是，SR的过负荷能力可能会受到斜率校正电容器的限制，尽管可以在严重过电压时采用火花间隙来旁路斜率校正电容器，但这是以牺牲过电压调节特性为代价的。斜率校正电容器的饱和电抗器是所有商用SVC中速度最快的，斜率校正电容器使其响应变慢，总的响应时间在1.5∽2个周期，这个响应时间与晶闸管控制电抗器（TCR）相当。与TSC相比，SR损耗更大。4.2.3应用：由于SR得高强度磁滞伸缩噪声，使它常常被安装在很厚地包裹起来的地方。除了保护用火花间隙和带负荷分接头切换开关，饱和电抗器是一种非常可靠的设备，因此通常用在：①控制电压的大幅偏移；②缓解电压闪变；③在直流输电终端进行无功补偿。SR型补偿器不能加外部控制，因而不具备提高交流系统阻尼，从而改善交流系统稳定性的能力。4.3晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器4.3.1晶闸管控制电抗器49 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°～180°。当触发角α＝90°时，晶闸管全导通，导通角δ＝180°，此时电抗器吸收的无功电流最大【14】。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：（4-1）其中由上式可知。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。构成静止无功补偿器（TCR＋FC）。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。4.3.2晶闸管投切电容器为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图4-1所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。但TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC＋TCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。49 具有快速投切能力的晶闸管投切的电容器组可以用来支持配电系统的电压并改善负荷的功率因数。晶闸管开关没有机械摩损，操作时没有噪声，并且具有实际上无暂态过程的优点。控制信号可以从负荷直接传送到电容器组，这意味着功率因数改善具有最小的延时。控制系统使所有段的电容器组投入或切除的最短时间仅为一个周波。每一段电容器组由一个电容器和一个电抗器串联而成，这两个元件组成一个串联谐振回路，谐振频率低于系统中存在的最低谐波频率(如150Hz,250Hz)。电容器组的选择取决于所需要的控制方式,并依据需要补偿的无功功率总量和负荷种类而定，负荷可以是对称的或不对称的，也可以连接到线电压或相电压。负荷控制的电容器组负荷变化快的大功率设备，例如焊接机，会引起配电网的电压降落，电压降的大小取决于负荷的功率和配电网的短路容量。而变压器二次侧的电压降反映到一次侧，使配电网电压的恶化影响到整个变压器回路。配电网电压降的影响取决于电压降的幅值和电压降产生的频繁度，晶闸管投切的电容器组可以最大限度的抑制这些影响，并确保配电网电压符合标准。由于支持和稳定电网电源电压，晶闸管投切的电容器组可以减少生产设备的能量消耗，因此可以提高其生产能力。为了使高速焊接机的功率因数补偿达到最佳可能的结果，控制信号直接从焊接机送到电容器组，因此电容器组的功率因数补偿是根据无功功率的需求预选的。4.3.3无功功率控制的电容器组　　晶闸管投切的电容器组可以对变化很大的负荷，如电梯、起重机和轧机，进行迅速的功率因数补偿。用晶闸管代替接触器使投切速度可以很快，也减少了接触器易于磨损而带来的维护和更换工作量。　　控制系统根据无功功率的需要投入和切除每一段电容器组，控制采用“先投入后切除”的原则：最先投入的电容器组要最后切除。控制系统使所有段的电容器组投入或切除的最短时间仅为一个周波。4.4无功补偿方式比较SVC是一种可以控制无功功率的补偿装置，通常由并联电容器组（或滤波器）和一个可调节电感量的电感元件组成。SVC一般被用来控制接入点电压在静、动态过程中维持在一定时间内，同时还具有一定的稳定系统的能力，因此通常用在枢纽变电所或终端变电所灵活地无功补偿功率，提供随机性调相机能【15】。常见的SVC有四种形式：SR(自饱和电抗器)、TCR（晶闸管控制电抗器）、TCT（晶闸管控制高漏抗变压器）、TSC（晶闸管投切电容器），其基本结构如图4-2所示.可控硅控制空芯电抗器型（TCR）49 如图4-2（a）所示，TCR型SVC包括了四个主要组成部分：高阻抗变压器或降压变压器（未画出）、电容器组（兼做滤波器）、晶闸管阀和调节器。动态补偿回路由电感L与两个反并联的晶闸管相串联组成。这两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行。改变控制角，电感中通过的电流便相应改变，进而控制补偿容量。降压变压器一次绕组连接三角形，可以使晶闸管相控电抗器在不同导通状况下产生的三次谐波成分不流入系统。（a）TCR（b）TSC（c）SR（d）TCT图4-2SVC的四种常用结构TCR型SVC的优点。可以进行连续感性和容性无功调节。单独的TCR由于只能吸收感性无功功率，与并联电容器配合使用，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的经净功功率，因此可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功范围内。能进行分相调节。降压变压器二次绕组连接成“开口星型”，中点分开，这是要使每相负载与另外两相独立，从而正序和负序的幅值可以单独控制、分相调节，可以平衡之前不平衡的负载。吸收谐波能力好。并联电抗器串上小调谐波电抗器还可以兼做滤波器，能很好地吸收TCR产生的谐波电流。控制灵活型号。TCR型SVC有很多种可选择补偿方案，一种方案就是将电容器组的总容量固接在电网上，而将TCR的总容量平均分为n组小单元，根据系统无功功率的平衡要求来决定启用小补偿单元的组数及其控制角。这样TCR型SVC就可以通过控制投入的组数进行调节，通过控制控制角进行调节，实现平稳的无级补偿，因此整个控制过程十分灵活，而且效果也相当好。动态响应时间较快（约10ms），是能够胜任多类负荷的动态无功补偿。TCR型SVC的缺点自身有谐波含量产生。不可直接接于超高压。49 运行维护复杂。由于组成部分较多而且较为复杂，TCR本身的反并联晶闸管、多组FC，虽然使得控制灵活，但也让运行维护复杂。TCR型SVC的应用场合。由于TCR型SVC具有反应时间快、无级补偿、运行可靠、能分相调节、能平衡有功、适用范围广以及价格便宜等优点，因此实际应用范围很广，在控制电弧炉负荷产生的闪烁时，几乎都采用这种形式。目前国内几乎所有的轧钢机、提升机、电弧炉的补偿设备都采用此类型的SVC。此外，TCR型SVC还广泛用于高压电网的大容量无功补偿，用作电压支撑、无功潮流控制、增加系统稳定性以及减小电压波动等功能。目前，TCR与电容器联用，是动态无功补偿的第一选择，由于它产生谐波，将滤波器与其联用是理想的方案，是目前连续调节的理想方法。晶闸管投切电容器型（TSC型）如图4-2（b）所示，TSC型SVC由电容器组、晶闸管阀和调节器构成，工作原理是通过检测到反并联的晶闸管阀两端的电压，在过零时控制晶闸管导通，将电容器投入。TSC型SVC主要优点。快速响应。可频繁动作、分相调节，有效地抑制电压波动问题。自身不产生谐波分量。由于电容器组是由晶闸管阀在其电压过零时投切的，电容器只是在两个极端电流值（零电流和额定正弦电流）之间切换，所以不会产生谐波。用于调压和调无功，降低电压波动。快速深度无功补偿。TSC可有效地用于放置电压崩溃——在系统故障和负荷电流急剧增加时，使用TSC装置快速补偿无功功率，对系统电压起支撑作用，可显著地抑制电压崩溃趋势。TSC型SVC主要缺点。动态响应时间较长。无功输出只能是级差的容性无功，每次只能投切一组电容器，实现级差无功补偿。限制过电压的能力。没有谐波吸收能力。不能直接介于超高压。运行维护复杂，由于采用多组反并联晶闸管串联的形式，使得晶闸管的散热、导通的同时性、损坏的检测以及维护等都带来了一定的难度。49 C．TSC型SVC的应用场合。TSC型SVC具有快速响应性、可频繁动作性以及分相补偿能力，可应用于对大型冲击性、快速周期性波动变化、不平衡、非线性负荷（如电气化铁路、电弧炉、轧钢机、矿井卷扬机、风力发电站、大功率变频调速装置等）的动态无功补偿领域，可有效地抑制这些负荷所引起的电压波动问题，故是低压动态补偿的首选方式。对高压大容量需要大范围调节无功或电压的情况，也是较好的选择。如果与TCR联用往往可以解决更多问题。自饱和电抗器型（SR）如图4-2(c)所示，SR型SVC主要由二-三柱式或三-三柱式自饱和电抗器和并联电容器组成。它是利用铁芯的饱和特性，其滞后相位的无功功率随端电压的升降而增减。SR型静止无功补偿器在正常运行范围内输出特性是线性的。输出特性可以通过调节抽头位置和投切并联电容器来改变。自饱和电抗器的动态响应很快，在无斜率校正时响应时间小于1ms。在斜率校正不考虑旁路滤波器的影响时，响应时间也达到10~20ms。但在经斜率校正电容器和旁路滤波器后，最快动态响应时间将减缓到1~2个周波。饱和电抗器和变压器一样，具有相当大的短时过负荷能力。在感性范围内特性基本上是线性的。这种特性使SR型SVC出了稳定电压外，还适用于降低短时的过电压要求。SR型SVC的主要优点。工作可靠、维护简单。由于主要部件电力变压器、电抗器和电容器都是标准化的产品，因此可靠性高。可以进行连续快速的感性/容性调节。固有的快速响应尤其适合对闪变负荷的补偿，同时还具有抑制不对称负荷的能力。在感性工作范围内有较大的过载能力。例如，在持续5min以内，可以过载到1.5pu,或在数秒内过载到3pu。特殊设计时，过载能力甚至可以达到4~5pu(1s).这一固有的过负荷能力特别适合于用来控制瞬时过电压。自生谐波含量低。由于采用了曲折接线和网络调谐电抗器这两种内部谐波抑制技术，所以产生的谐波相当低，在大多数应用中不需要另外设置滤波器。这两种谐波抑制技术同时还具有改善补偿器输出特性和平直度的作用。SR型SVC的主要缺点。控制灵活性差。由于它不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差，从而也就限制了它的应用范围。运行噪声大，高频磁滞伸缩力将造成在电抗器附近噪声水平高。为了降低噪声对环境的影响，需要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。49 不能分相调节。不能直接介于超高压。单位容量损耗大。由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要工作于饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损耗大，且散热较难，制作要求高。C．SR型SVC的应用场合。SR型SVC是由基于传统技术的无源元件构成的，其运行可靠、无需维护，而且过负荷能力强，因此在重要的应用场合，它的优越性更加明显。典型应用场合如下。在交流输电系统中用于稳定电压以及降低短时过电压。在高压电网中负荷的变化引起电压的波动，特别是在空载（或轻载）长送电线路上，线路电容在线路的末端会产生不允许的过电压；而在另外一些情况下，满负荷又需要对电压降进行校正。在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压控制等。对于这种情形，SR型SVC对于稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。在工业供电网络中用于抑制急剧的无功波动造成的电压波动或者闪变。消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器，SR型SVC可以说是一种接近于这种理想运行性能的补偿设备。在负荷急剧变化的工业企业电网的运行SR型SVC的经验表明，其快速抑制作用可以保证最好的电压稳定。在高压直流输电系统中用于降低由于换流装置闭锁引起的动态短时过电压。在直流输电系统故障（直流闭锁、全停）或交流系统故障后而直流输电不能迅速启动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如交流系统的短路容量或短路比越小，产生的过电压越高。过高的工频过电压将对交、直流系统的安全运行构成严重威胁。利用SR型SVC动作迅速和过负荷能力强的特点，可以有效地抑制此类工频动态过电压；此外配合并联电容器的调节，可以较好的控制交流侧电压。SR型SVC反应速度快，并且有部分平衡化功能，作为以电压稳定为目的的动态无功功率补偿设备有较好的效果。晶闸管控制高漏抗变压器（TCT型）如图4-2(d)所示，主要组成部分为：降压变压器、晶闸管阀、电容器组和调节器。TCT型SVC主要优点。晶闸管控制高漏抗变压器（TCT型）是TCR型SVC的一种变形，因此，除了具有TCR的优点之外，还有它自身的优点。成本低。由于将TCR的降压变压器设计成很大的漏抗，这样可以省去原来的串联的电抗器，降压变压器二次绕组实际上通过晶闸管短接起来，节省了成本。49 可靠性高。当二次侧发生短路故障时，高漏抗就使变压器免受短路应力的影响。过负荷能力强。由于高漏抗变压器不易饱和，线性度好，并且比单独的电抗器有更大的热容量，因此可以吸收感性无功范围内更大的过负荷。可以直接接于超高压。这个有点是其他三个种SVC所不具备的。TCT型SVC主要缺点。TCT型SVC除了TCR型SVC的缺点外，还有它自身的缺点。主要是动态响应时间较长，噪声大，损耗大。另外，如果需要与并联电容器配合使用，则电容器智能接在一次侧的高压母线上，从而增加了成本。第5章SVC工作原理SVC其主要工作原理就是由接触式自耦调压器、伺服式电动机、自动控制电路等组成，当电网电压不稳定或负载变化时，自动采样控制电路发出信号驱动伺服电机，调整自耦调压器碳刷的位置，使输出电压调整到额定值并达到稳定状态【16】。49 5.1动态无功补偿器的工作原理设备由检测单元、主控单元，投切执行单元和电容器组（含电抗器）四大部分构成。检测单元通过电压、电流传感器实时检测系统电压和电流的瞬时值，并实时计算出电压、电流有效值和系统所需无功功率功率等控制参量，由主控单元完成逻辑判断并发出相应的控制指令，控制投切执行单元投切电容器组，实现对负载无功功率的动态跟踪补偿【17】。5.2SVC工作原理SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC的显著特点是能快速,连续地对波动性负荷进行补偿,有效地抑制系统电压波动和闪变,同时滤除系统中的高次谐波,并通过分相调整并改善系统的三相平衡度。下面以TCR型SVC为例，介绍其工作原理如图5-1所示：图5-1为TCR+FC型静补装置运行原理图。图中FC回路的C为固定值,所以超前的无功功率QC为固定值,当负载滞后且其无功功率QF变化时,可以通过调整可控硅的导通角控制滞后无功功率QL,使SVC总的无功输出QZ=QC-QL发生变化。当负荷QF增大时,TCR产生的无功功率QL图5-1带FC的TCR减少;当负载QF减小时,TCR产生的无功功率QL增加。即不管负载的无功功率如何变化,总要使由系统供给的无功功率QS=QF+QL-QC近似等于常数,以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。TCR基波等效电纳为:（5-1）式中:——晶闸管触发角L——电抗器电感——系统基波角频率由于TCR与FC是并联的，因此整个SVC的等效电纳为：49 （5-2）从上式可以看出，SVC的等效电纳也是晶闸管触发角的连续函数，通过改变晶闸管的触发角，就可以连续的改变SVC的等效电纳。5.3SVC系统结构通常的SVC组成部分为（1）.固定电容器和固定电抗器组成的一个无功补偿加滤波支路。该部分适当选择电抗器和电容器容量，可滤除电网谐波，并补偿容性无功，将电网补偿到容性状态。（2）.固定电抗器（3）.可控硅电子开关可控硅用来调节电抗器导通角，改变感性无功输出来抵消补偿滤波支路容性无功，并保持在感性较高功率因数5.4SVC的基本控制方式5.4.1基本控制方式（1）电压控制方式。电压控制方式是SVC调节单元基本控制方式。（2）无功控制方式。分为无功功率控制方式；无功电流控制方式；功率因数控制方式。（3）联合控制方式。电压控制和无功控制是控制器的基本模式，电压和无功可以单独控制也可以联合控制或加权控制。（4）输电系统暂态控制。（5）阻尼振荡控制。5.4.6.其他控制方式（1）,慢速无功调节。（2）TCR直流控制。（3）负序控制。49 第6章基于MATLAB的SVC仿真平台设计静止无功补偿器对于电网动态无功补偿起着重要作用，尤其对电压的稳定，效果明显。为此，本论文设计了一个五电源供电带静止无功补偿器（SVC）的系统图，并围绕静止无功补偿器（SVC）对于远、近负载，投切电源，加大电感负载，加大电容负载的补偿效果做出仿真。6.1节点图如图6-1所示，G1、G2、G3、G4、G5五个电源容量均为3000MVA，电压为500KV；负载1、负载2、负载3均为100MW。G1G2G3svcG5G43000MVA500kv负载1100MW负载2负载349 图6-1节点图6.2静止无功补偿器对于远近负载的补偿能力如图6-2所示，与静止无功补偿器（SVC）临近的“0.1m”处的线路是可以调节长短的，bre1在1.5s时由断开状态倒闭和。图6-2表示此时线路距离为0.1m，因此，静止无功补偿器（SVC）距离负载很近，根据理论知识，此时无功补偿效果应该很好。此时做出的仿真图如6-3所示，从图6-3可以看以看出，在t=1.5s时，投入了两个电源进入系统，但是此时的无功补偿容量和电压都未明显发生变化，说明了静止无功补偿器（SVC）近处补偿效果很好。当调节线路为15m时，此时得到如图6-4的仿真效果，可以看出在t=1.5s时，无功补偿容量和电压都发生轻微抖动后在转向稳定，说明无功补偿器（SVC）在距离负载15m处得调节效果良好。当调节线路为20m时，此时得到如图6-5的仿真效果，可以看到在t=1.5s时，无功补偿容量和电压都明显发生变化，且无功补偿容量不能回到0，说明了静止无功补偿器（SVC）在距离负载20m处得补偿效果已经不好。49 图6-2距离负载0.1m的系统图49 图6-3距离负载0.1m的仿真图图6-4距离负载15m的仿真图49 图6-5距离负载20m的仿真图根据以上仿真，说明本次设计的静止无功补偿器（SVC）适合于在距离负载0-15m以内做无功补偿，且补偿效果明显。6.3发电站忽然并网所图6-6所示，静止无功补偿器（SVC）在距离负载5m处，断路器bre1控制它右边的电源（此处用电源来表示发电站并网），阶跃信号在t=1.5s时转为1，断路器由断开倒闭和，即t=1.5s时，发电站并网。根据此图做的仿真结果如图6-7所示，可以看到，在t=1.5s时，无功补偿容量和电压有轻微抖动后，恢复稳定，说明静止无功补偿器（SVC）对于发电站忽然并网的无功补偿效果优良。为形成对比，本论文还仿真了没有静止无功补偿器（SVC）时发电站忽然并网，系统图和仿真图分别如图6-8和图6-9所示，根据加与不加静止无功补偿器（SVC）的仿真图，可以看出，对于发电站忽然并网，加了静止无功补偿器（SVC）时电压稳定效果好。49 图6-6发电站并网系统图49 图6-7带SVC的发电站并网仿真图图6-8不带SVC的发电站并网系统图49 图6-9不带SVC的发电站并网的仿真图6.4加大电感（大电容）负载图6-10为加大电感（大电容）负载的系统图，由断路器bre2控制负载加入系统的时间，且由断路器bre2控制负载可以任意改变其负载大小和感性、容性性质。本论文是控制在t=1.5s时将负载加入系统。图6-11为加入大电感负载进入系统的仿真图，图6-12为加入大电容负载进入系统的仿真图。同样为了形成对比，本论文也做了不加静止无功补偿器（SVC）时，加入大电感（大电容）负载的仿真实验，不加静止无功补偿器（SVC）时的系统图为图6-13，加入大电感负载进入系统的仿真如图6-14，加入大电容负载进入系统的仿真如图6-15。由图列看出，本论文所设计的静止无功补偿器（SVC）对于系统忽然加大电感（大电容）负载时的无功补偿效果优良，电压稳定。49 图6-10带SVC的大电感（大电容）负载系统图49 图6-11带SVC的大电感负载仿真图图6-12带SVC的大电容负载仿真图49 图6-13不带SVC的大电感（大电容）负载系统图49 图6-14不带SVC的大电感负载仿真图图6-15不带SVC的大电容负载仿真图49 参考文献【1】楼峰.浅谈电网无功补偿技术.宁夏电力.2007【2】王正风，无功功率与电力系统运行，中国电力出版社，2009张婉琳，蒋松辉，无功补偿对节能的意义，应用能源技术。2007【3】刘凤君．市电电能质量补偿技术［M］．北京：科学出版社，2005：69~111．【4】吴启富，王主丁．配电网无功综合优化的补偿模型及其应用[J]．四川电力技术,1994：106~110．【5】陈新琪，竺士章，袁斌，等。同步电机参数与工况关系初探。中国电力，2001【6】苏志瞻，吕美霞，浅谈无功补偿装置。内蒙古石油化工。2009【7】胡秀娟．浅议低压电网无功补偿的几种方法[J]．电力与能源．2007年35期．【8】陆安定，功率因数与无功补偿。上海科学普及出版社，2004【9】曾艳华，沈博，谭超.功率因数补偿装置设计，工业控制计算机，2008【10】王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.机械工业出版社,1999:1-49【11】康华光，陈大钦．电子技术基础［M］．高等教育出版社，2004：10~15【12】谭俊源，静止无功补偿技术探讨。华电技术.2008.【13】栗时平，刘桂英．静止无功功率补偿技术．中国电力出版社，2006【14】刘艳村．负荷补偿用静止无功补偿器的研究【D]．武汉：武汉大学，2004：17—20【15】国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则【16】FuruhashiT，OkumaS，UehikawaY．Astudyonthetheoryofinstantaneousreaetivepower．IEEETransIndElectron,1990，37(1)：86—90P【17】D．J．Hanson,M．L．Woodhouse，eta1．SB盯COM：aneweraofreactivecompensation．PowerEngineeringJournal．2002 49 致谢在本文即将完成之际，谨向所有给予我关心、支持和帮助的老师和同学们致以深深的谢意。首先，感谢我的指导老邵仕泉老师，因为本设计是在邵老师的悉心指导下完成的。邵老师和蔼可亲的态度和一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象，必将对我今后的工作和生活产生极大的影响。邵老师指引了我的设计的写作的方向和构架，并对本设计进行了认真的批阅，他循循善诱的教导给予我无尽的启迪。感谢电气工程专业教研室所有老师，在毕业设计期间，他们给予了我极大的鼓励与帮助；他们专业知识渊博，工作认真负责，关心学生，是我前进路上的好榜样。感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是他们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是设计得以完成的基础。在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业设计，我学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。总之，此次设计的写作过程，我收获了很多。此次设计的完成既为大学四年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。再次感谢在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们。49