毕业设计配电网无功补偿方法及优化屠亚军Word格式文档下载.docx
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一、设计任务
1、配电网的基本概念
2、无功功率的基本概念及物理意义
3、无功功率对配电网的影响
4、对无功功率补偿的理论及装置的发展研究
5、无功功率补偿方法优化研究
二、设计目的
运用所学的专业里理论知识与实习实践知识结合起来综合应用,从而达到巩固、加深和扩大专业理论知识,同时培养严谨、科学、细致的求学精神,培养自我独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能,学会在项目开发是如何搜集和查阅资料,使用开发工具、进行方案论证与设计、总结设计成果,撰写毕业论文等,为以后进入工作岗位奠定基础。
三、设计(论文)成果要求:
1、开题报告:
页≥1000字
2、说明书:
页≥8000字(即毕业设计正文部分)
3、图纸:
页〉1张
4、其它:
按要求提供图纸及论文全文电子文档
毕业设计的封装次序
(封面-设计任务书-开题报告-目录-原创性声明-版权授权书-正文-图纸-附录)
进度起止日期
起止日期
要求完成的内容
1、2016.9.1~2016.9.8
2、2016.9.9~2016.10.6
3、2016.10.7~2016.10.13
4、2016.10.14~2016.10.20
5、2016.10.21~2016.10.27
1、查阅资料,完成开题报告。
2、完成毕业设计(论文)初稿,指导老师审核。
3、安要求修改论文,完成毕业设计(论文),装订成册,连同电子文档一并上交指导老师。
4、指导老师完成毕业设计(论文)的批阅。
5、毕业答辩。
审核(系主任)
批准(院长)
毕业设计(论文)开题报告
题目配电网无功补偿及优化
学生姓名屠亚军学号**********
专业新能源应用技术班级20143791
完成日期2016年9月18日
1.课题的来源
无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视,合理地投停使用无功补偿设备,对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。
通过讨论无功补偿的意义、无功功率不足产生的不利影响、无功补偿的原则、如何确定无功补偿容量和方法、以及无功补偿电容器安装及运行中的安全问题等问题,希望做好无功优化,从客户的节能效益和提高电能质量为原则,积极探寻技术,以保证用电客户安全生产和经济运行。
2.该课题有什么意义
随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高,人们对电力的需求日益增长,同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。
由于负荷的不断增加,以及电源的大幅增加,不但改变了电力系统的网络结构,也改变了系统的电源分布,造成系统的无功分布不尽合理,甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。
随着系统结构日趋复杂,当系统受到较大干扰时,就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。
合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定,能够有效地维持系统的电压水平,提高系统的电压稳定性,避免大量无功的远距离传输,从而降低有功网损,减少发电费用。
采用无功补偿可以收到以下效果:
①
减少电力损失,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。
②
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。
③
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)
④
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。
3.该课题的内容在国内处于什么水平?
相比于国外,尤其是发达国家的配电网络,我国的配电网发展相对落后,尤其是位于农村地区的配电网络,长期面临着设备老化、线路网架薄弱等问题。
配电网输电线路长,分支结构复杂且负荷点分散,用电负荷受季节影响变化明显,使得配电网面临的问题更加复杂化。
我国配电网经常运行在低功率因数状态,网络损耗大,线路利用率低,在一些地区仍然存在着数量众多的高耗能变压器。
低功率因数会导致线路的电压损耗增加,尤其对于长线路来说,过高的电压损耗还会影响末端负荷的用电。
在我国lOkV的配电网络中,一般只是在专用变压器侧加装了无功补偿装置,而数量众多的公用变压器却没有,使得配电网的补偿度不高,网络的降损空间较大。
因此,在配电线路上装设无功补偿装置显得格外重要。
在lOkV配电网中,将并联电容器等无功补偿装置安装在线路杆塔上,能够进一步提高功率因数,降低网络损耗。
相比于分散在主变压器的无功补偿,装设与配电线路上无功补偿具有集中补偿,设备利用高,基本不占有土地的特点,弥补了变压器低压侧缺少无功的缺点,减少了线路上输送的无功功率。
线路补偿尤其是应用于线路较长、功率因数低的线路,降低线路损耗,提高电能质量的效果相当明显。
无功补偿装置按照连接方式的不同可以分为串联补偿装置和并联补偿装置。
串联补偿装置的主要目用于改善线路的阻抗参数,以此来提高线路的传输能力,比如在输电线路中串联电容器来减小线路的电气距离;
并联补偿装置主要用于补偿系统无功功率,对线路电压进行调整控制。
根据补偿对象的不同,并联无功补偿装置又可以分为系统补偿装置和负荷补偿装置两种。
系统补偿装置是指用于补偿配电系统无功功率,提高电压稳定性,维持系统稳定,优化无功潮流的装置;
负荷补偿装置是指用于单个或单组用电负荷无功补偿的装置,目的是提高负荷功率因数,减少电压波动和电压闪变,改善负荷处的电压质量。
4.课题拟采用的新方案和新技术:
目前主要两大类优化方法:
一类传统的优化算法,这类算法从某个初始点出发,按照一定的轨迹不断改进当前解,最终收敛于最优解。
这类优化算法主要有线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法、动态规划法;
该类方法经历了三个阶段,第一是仅考虑等式约束的基于拉格朗日函数的等网损微增率准则,该准则概念清楚、简捷快速,在电力系统运行调度和方式制订上作用显著,尤其是凭经验进行的决策;
第二是考虑不等式约束的各类优化算法,如梯度类算法、线性规划法、二次规划法及混合整数规划法等;
第三是障碍函数类算法,如内点法,该类算法具有计算速度与求解问题规模不大相关等特殊优点,因而成为优化研究领域的一个热点。
另一类是智能优化算法,它们从一个初始解群体开始,按照概率转移原则,采集某种方式自适应地搜索最优解人工智能算法是一种以一定的直观基础而构造的算法。
近年来,基于对自然界和人类本身的有效类比而获得启示的智能算法在电力系统无功优化中的应用受到了人们的关注,具有代表性的有人工神经网络、粒子群算法、模拟退火法、遗传算法等。
智能方法是无须解析表达就能进行优化的方法,包括具有不同智能程度的一系列搜索优化算法。
它们以一个初始解群开始,按照概率转移原则,采用某种方式搜索最优解。
以遗传算法、模拟退火法等为代表的智能搜索算法,对于搜索空间基本上不需要什么限制性假设,因而具有全局寻优能力,弥补了传统数学规划方法的不足,在电力系统无功优化中得到了成功的应用。
5.课题计划及进度安排:
6、查阅资料,收集资料。
7、完成毕业设计(论文)开题报告
8、安要求完成论文,完成毕业设计(论文)电子文档一并上交指导老师。
9、指导老师完成毕业设计(论文)的审阅,按要求修改完善。
提交装订成册的纸质论文
10、毕业答辩。
第一章配电网·
·
12
1.1配电网的基本概念·
1.2配电网的组成·
1.3配电网的分类·
第二章无功功率·
13
2.1什么是无功功率·
2.2无功功率的物理意义·
2.3无功功率对配电网的影响·
15
第三章无功补偿的理论及装置·
17
3.1无功功率理论的发展·
3.2无功功率补偿装置的发展·
3.3无功功率动态补偿的原理·
18
3.4无功补偿电容器·
19
3.5静止无功发生器·
22
第四章无功补偿方法优化·
25
4.1无功优化的基本原则及要求·
4.2影响无功优化的因素·
27
4.3无功优化的一般模型·
28
4.4无功优化目标函数·
29
4.5无功优化约束条件·
31
结论·
33
致谢·
34
参考文献·
35
论文/设计/报告原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文/设计/报告是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了论文/设计/报告中特别加以标注引用的内容外,本论文/设计/报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
论文/设计/报告版权使用授权书
本论文/设计/报告作者完全了解学校有关保障、使用学位论文/设计/报告的规定,同意学校保留并向有关论文/设计/报告管理部门或机构送交论文/设计/报告的复印件和电子版,允许论文/设计/报告被查阅和借阅。
本人授权省级优秀论文/设计/报告评选机构将本论文/设计/报告的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文/设计/报告。
本论文/设计/报告属于
1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。
2、
不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
_________年月日
导师签名:
_________年月日
摘要
在电力系统中,存在着消耗大量无功功率的设备,这些设备的使用会给电力系统电压产生激烈的波动,例如冲击性的无功功率负载:
轧钢机,电弧炉,电气化铁道等。
同时用户中又有对系统电压稳定性有较高要求的精密设备:
如计算机,医用设备等。
如果无功功率不能及时控制,就会对电网电压造成不良影响。
另外无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。
鉴于以上原因,如何快速有效解决电力系统中的无功缺额。
具有重要的现实意义。
本文分为五个部分,第一部分介绍配电网的基本概念,组成和分类;
第二部分无功功率,介绍什么是无功功率,无功功率的物理意义,无功功率对电力系统的影响。
第三部分无功补偿的研究,介绍了两种无功补偿的装置:
无功补偿电容器和静止无功发生器。
第四部分无功优化,分别介绍影响无功优化因素,无功优化的一般模式目标函数和约束条件。
关键字:
无功补偿无功优化电力系统补偿电容器静止无功发生器
第一章配电网
1.1配电网的基本概念
配电网(DistributionNetwork)是指在电力网中起电能分配作用的网络。
通常是指电力系统中二次降压变压器低压侧直接或降压后向用户供电的网络。
1.2配电网的组成:
架空或电缆配电线路、配电开关类设备、配电所、柱上变压器、配电箱等。
1.3配电网分类
1、配电网按电压等级来分类
(1)高压配电网(35-110kV);
(2)中压配电网(6-10kV);
(3)低压配电网(220-380V);
2、按供电区的功能来分类
(4)城市配电网(城网;
)
(5)农村配电网(农网);
(6)工厂配电网等。
图1 配电网系统各种无功补偿方式示意图
第二章无功功率
2.1什么是无功功率
电网中电力设备大多是根据电磁原理工作的,他们能在能量交换中建立交变的磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。
但电源能量再通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗,仅仅在用电负荷与电源之间进往复交换,由于这种交换功率不对外做功,因此成为无功功率。
无功功率反映了内部与外部往返交换的能量情况,但并不像有功功率那样表示单位时间内所做的平均功率,无功功率的符号用Q表示,单位为乏(var)、千乏(Kvar)、兆乏(Mvar)。
2.2无功功率的物理意义
前面说过,无功功率只是描述能量交换的幅度,并不消耗功率,图2-1的单相电路就是这一方面的例子,其负载为感性负载。
电阻消耗有用功,而电感则在一周期内的一部分时间内把从电源吸收的能量储存起来,另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放,并不消耗能量。
无功功率的大小表示了电源和负载电感之间能量交换的幅度。
电源向负载提供这种无功功率是阻感负载内的需要,同时对电源的输出带来一定的影响。
图2-1
图2-2是带有负载的三相电路,为了和图2-1相对照,假设U、R、L的参数均和2-1相同,为对称三相电路。
这是无功功率的大小当然表示了电源和负载电感之间的能量交换幅度。
无功能量在电源和负载间来回流动。
同时,可以证明,各项的无功功率分量(
)的瞬时值之和在任一时刻都为零。
因此,也可以认为无功能量是在三相之间流动。
这种流动是通过阻感负载进行的。
图2-2
图2-2是一个静止无功发生器电路(SVG)。
通过对各半导体开关器件的适当控制,其电源电流的相位可以比电压超前
,使SVG发出的无功功率或吸收无功功率。
在进行PWM控制时,如果开关频率足够高C的容量就可以足够小。
因此,C可以不被看成储能元件。
同样,只要开关频率足够高,SVG交流侧电感L也可以足够小,L也不是交换无功能量意义上的电感。
因此,这种电路可以近似看成无储能元件的电路。
这时,无功能量的交换就不能看成是在电源和负载储能元件之间进行的。
因为各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为零。
因此,仍可以认为无功能量在三相之间流动。
事实上,三相三线电路无论对称还是不对称,无论含谐波还是不含谐波,各无功分量的瞬时值都为零。
这一结论是普遍成立的,因此,可以认为无功能量是在三相之间流动的。
图2-3a
图2-3a是带有电阻负载的单相桥式可控整流电路,图2-3b是
时u和i的波形。
这时电路的有功功率为
图2-3b
电流i的有效值为
功率因数为
无功功率Q为
其无功功率一部分是由基波电流移相产生的,另一部分是由谐波电流产生的。
因为负载中没有储能元件,而且是单相电路,所以,这里没有上述意义上的无功能量的流动,其无功功率是由电路非线性产生的。
2.3无功功率对电力系统的影响
传统的无功功率是由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换的最大值,是负荷与电源间交换能量的一种度量。
但随着科学技术的发展,许多非储能元件也会吸收无功这主要是器件的非线性引起的。
电力系统中的无功消耗主要来自两个方面,一是输电线路自身消耗的无功,另一方面是负荷消耗的无功。
输电设备在输送电能时要吸收一定的无功,在高压配电网络中为了提高电网的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功进行补偿,如对线路进行串联补偿,一些重要的节点进行并联补偿。
负荷吸收的负载主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗无功,如工业生产和日常生活中使用的异步电动机,日光灯、以及各种变流设备,工业电炉、电气机车等,这些负荷中有些容量很大,再启动和使用中都会吸收大量的无功,常会引起电网电压波动和畸变。
在电力系统中,负载中的感性负载会降低电网的功率因数,会给电力系统产生下列不良影响。
(1)降低发电机组的输电能力和输变电设备的输电能力,是电气设备的效率降低,发电和输变电成本提高。
(2)增加了输电损耗,降低了系统的经济效益。
(3)增加了电网网络中的电压损耗,引起电压的波动和闪变。
第三章无功补偿的理论及装置
3.1无功功率理论的发展
传统的功率定义大都建立在均值的基础上的。
单相正弦电路或者三相对称正弦电路中,利用传统概念定义的有用功率、无用功率、视在功率、和功率因数的概念都很清楚。
但当电压或者电流含有谐波时,或三相电路不平衡时,功率现象比较复杂,传统的概念无法正确的对她作出解释和描述。
建立能包含畸变和不平衡现象的完善的功率理论,是电路理论中的一个重要的基础课题。
学术界有关功率理论的争论可以追溯到20世纪20和30年代,Eudeanu和Fryze最早分别提出在频域定义和时域定义的方法,以后又有各种定义和理论不断出现。
20世纪80年代以来,新的定义和理论更是不断推出。
自1991年以来,已多次举办了专门的讨论非正弦情况下功率定义和测量问题的国际会议,但迄今为止仍未找到解决问题的理论和方法。
新的理论往往是解决了前人未解决的问题,同时却也存在着另一些不足,或引出了新的待解决的问题。
对新提出的功率定义和理论应具有如下要求:
(1)物理意义明确,能清晰地解释各种功率现象,并能在某种程度上与传统概念理论一致。
(2)有利于对谐波源和无功功率的辨别和分析,有利于对谐波和无功功率的流动的理解。
(3)有利于对谐波和无功功率的补偿和抑止,并能为其提供理论指导。
(4)能够被精确测量,有利于有关谐波和无功功率的检测、管理和收费。
根据上述要求,可将现有的无功功率理论分为图3-1所示的三大类。
迄今为止各种无功功率定义和理论只解决一两方面的问题不能满足全部需求。
Czarnecki和Depenbrock的工作对第一类功率理论一两解决起了较大的促进作用。
H.Akagi提出的瞬时无功理论解决了谐波和无功的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题,无功补偿装置的研究开发起到了很大的推动作用。
但这一理论的物理意义较为模糊,与传统理论的关系不够明确,在解决的一类问题和第三类问题时有一定困难。
对第三类理论问题的研究虽然取得了一定的成果,但迄今没有较大突破。
总之如果建立更为完善的功率定义和理论,特别是为供电企业和电力用户广泛接受,还需要进行更多的努力。
图3-1
3.2无功功率补偿装置的发展
传统的无功补偿是用普通开关将电容器或者电抗器投入电网,它会产生很大的冲击电流,而且,将电容器从电路中切除时,会产生拉弧现象,现已被动态补偿装置逐渐代替。
早期的动态补偿装置是同步调相机SC,它是用来专门产生无功功率的同步电动机,它能产生不同大小容性或者感性的无功功率。
70年代以来,同步调相机已经开始逐渐被静止无功补偿装置(SVC)所代替。
1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行其使用了晶闸管的静止无功补偿装置。
1978年,在美国电力研究院的支持下,美国西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际使用。
静止无功补偿装置包括晶闸管控制的电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置TCR+TSC,或者晶闸管控制电抗器和固定电抗器(FC)或机械投切电容器(MSC)混合使用的装置。
在国内SVC越来越广泛的被应用于电力系统中,成为电力系统中支持电网电压的重要手段。
3.3无功功率动态补偿的原理
早期的无功补偿装置不能跟踪负荷无功需求的变化,而随着电力系统的发展,对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。
对电力系统中的无功功率进行快速的动态补偿,可以实现对动态无功负荷的功率因数的校正、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳定性、阻尼系统振荡、降低过电压、减少电压闪烁、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡。
应当指出的是,以上的这些功能虽然是相互关联的,但实际的静止无功补偿装置往往只是对其中某一条或者几条为直接控制目标,其控制策略亦因此而有所不同。
因此,这些功能有的属于对一个或者几个在一起的负载的补偿效果(负载补偿),有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目的(输电补偿),而改善电压调整,提高电压稳定性,则可以看作是两者的共同目标。
下面以改善电压调整的基本功能为例,对无功功率动态补偿的原理做简要的介绍。
(a)图3-2(b)
图3-2(a)所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。
其中,U为系统电压,R和X为系统电阻和电抗。
假定负载变化很小,故有
,则假定R《X,反映系统电压与无功规律变化的特性曲线如图3-2(b)中实线所示,由于系统电压变化不大,其横坐标也可以换为无功电流。
可以看出,该特性曲线是向下倾斜的,即随着系统供给的无功功率Q的增加,系统电压下降。
由电力系统中的分析可知,系统的特性曲线可近似用下式表示
式中
——无功功率为零时的系统电压
——系统短路容量
由上式可见,无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。
投入补偿器后,系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和,即
因此,当负载无功功率
变化时,如果补偿器的无功功率总
能弥补的
变化
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- 毕业设计 配电网 无功 补偿 方法 优化 亚军