配电网武功补偿现状分析与应用研究Word格式文档下载.docx

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2.1无功补偿的原理8

2.1.1电力网的功率因数8

2.1.2补偿无功功率的电路和向量图9

2.2提高功率因数的意义11

第3章系统的总体设计14

3.1设计的基本思想14

3.2系统的构成及设计方案15

3.2.1系统硬件结构15

3.2.2系统软件结构16

3.3系统基本功能和性能指标17

3.3.1系统基本功能17

3.3.2性能指标18

3.4系统中电容的投切18

第4章基于Matlab仿真的3种无功补偿方法比较20

4.1无功补偿的原理及方法20

4.1.1并联电容器20

4.1.2静止无功补偿器（StaticVarCompensator--SVC）20

4.1.3静止无功发生器（StaticVarGenerato--SVG）21

4.2Matlab/Simulink仿真电路及结果22

4.2.1并联电容器无功补偿MATLAB/Simulink仿真电路22

4.2.2静止无功补偿器Madab/Simulink仿真电路23

4.2.3静止无功发生器Maflab/Simulink仿真电路24

4.3仿真结果的分析与比较25

4.3.1并联电容器仿真结果分析25

4.3.2静止无功补偿器仿真结果分析25

4.3.3静止无功发生器SVG仿真结果分析26

4.4结论26

第5章基于10kv静止无功补偿器的设计与研制27

5.1静止式无功补偿器SVC的用途27

5.2SVC原理及样机开发27

5.2.1SVC的运行原理27

5.2.2主电路29

5.2.3控制系统31

5.2.4监测系统33

5.2.5水冷系统33

5.2.6保护系统33

5.3结论34

第6章结论35

参考文献36

致谢37

摘要

本论文首先对电网无功补偿的意义和研究现状进行综述，阐述电网无功补偿的原理，分析了无功补偿规划问题的模型和求解方法。

根据电力系统无功补偿的基本原则指出，无功补偿的方式和补偿技术的选择应该取决于具体的电网结构和容量，做到全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。

结合所补偿对象一低压电网，对低压电网无功补偿的各种实现方法做了详细说明，然后对低压电网中各元件的无功功率特性及无功补偿的效果进行了分析，通过效益计算分析，量化了提高功率因数的意义。

针对现行的各种补偿方式在对低压配电网进行无功补偿时各有优缺点，在考虑实际电网自身结构特点后，选择采用线路分散补偿方式对低压配电网进行无功补偿，通过对线路分散补偿方法的推导，依据不通情况，分别讨论了三种无功补偿方案，最后重点讨论了静止无功补偿器样机的设计开发工作。

关键词:

配电网，无功补偿，节能降损，三种补偿方式

Abstract

Thispaperfirstdiscussesthereactivepowercompensationofthesignificanceandtheresearchstatusofpowergridreactivepowercompensation,expoundstheprinciples,analysesthefunctionofreactivecompensationplanningmodelandsolutionmethod.Accordingtothepowersystemreactivepowercompensationtheprinciplepointsout,reactivepowercompensationandcompensationtechniqueofchoiceshoulddependonthespecificnetworkstructureandcapacity,toachieveacomprehensiveplanning,rationaldistribution,classificationofcompensation,localbalance.Combinedwiththecompensationtotheobjectofalowvoltagepowernetwork,onthelowvoltagereactivepowercompensationmethodsoftherealizationindetail,andthenforeachelementinthelowvoltagepowergridreactivepowercharacteristicandreactivepowercompensationeffectwereanalyzed,throughthebenefitanalysis,quantifiedthemeaningofraisingpowerfactor.Inviewofthecurrentvariouscompensationinlowvoltagedistributionnetworkreactivepowercompensationhavetheiradvantagesanddisadvantages,inconsiderationofactualpowergridstructureitself,chooselinedispersioncompensationoflowvoltagedistributionnetworkreactivepowercompensation,thelinedispersioncompensationmethodisderived,basedontheunreasonablesituation,discussedthreekindsofnonreactivepowercompensationscheme,lastfocalpointdiscussedinstaticvarcompensatorprototypedesignanddevelopmentwork.

Keywords:

distributionnetwork;

reactivepowercompensation;

energyloss;

threekindsofcompensationmethod

第1章绪论

1.1选题背景与意义

我国配电网建设的发展是电力市场和经济建设的必然结果，长期以来配电网建设资金短缺，设备技术性能落后，事故频繁发生，严重影响了人民生活和经济建设的发展，随着电力的发展和电力市场的建立，配电网的薄弱环节显得越来越突出，形成电力需求与电网设施不协调的局面。

国家颁布《电力法》后，电力作为一种商品入市场，接受用户的监督和选择，甚至十对电力供应中的停电影响追究电力经营者的责任。

另一方面，高精密的技术和装备对电能质量要求，配电网供电可靠性已是电力经营者必须考虑的主要问题。

随着市场观念的转变和电力发展的需求，配电网的自动化和运行稳定性已经作为供电企业十分紧迫的任务。

城市电网从八十年代就意识到配电网的潜在危险，并竭力呼吁致力十城市电网的改造工程，组织全国性的大会对配电网改造提出了具体实施计划，通过各种渠道凑集资金，提出更改计划利用高技术、好性能的设备从事电网的改造。

电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其他形式能的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。

没有它，变压器就不能变压与输送电能，没有它，电动机的旋转磁场就建立不起来，电动机就无法转动。

因此，无功电源同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。

在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。

但是，长距离输送无功电力，又会造成有功功率的损耗和电压质量的降低，此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。

这不仅影响电力网的安全经济运行，而且也影响企业生产产品的质量。

从电网框架来看，配电网处十电力网络的末梢，是无功需求较大的位置，同时配电网也是距离无功电源最远、无功保障最困难的地方。

目前电网的无功电源（发动机、调相机、电容器）都处十远离配网的位置上，由于配电网电压等级低，等量的电能输送所产生的能耗和压降要远高十其他电压等级。

因此，配电网合理配置无功补偿设备，对改善网架结构、提高电能质量、降损增效等方面都将起到有效的促进作用。

现行经济发展致使电力系统供需矛后逐步加深，接入配电系统的客户对电能质量的要求也在提高，尤其是环境保护、节能减排等问题的逐步提上口程，配电网中无功补偿的合理优化、配置越来越体现出重要性。

1.2无功补偿方式的现状

无功功率补偿，是指在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备，以供给感性负荷消耗的部分无功功率，减少电网电源向感性负荷提供的、由输电线路输送的无功功率，从而减少了无功功率在电网中的流动。

在长距离输电中选择合适的地点设置无功动态补偿装置，还可以改善电网稳定性能，提高输电能力。

在受电端侧，合理配置无功，可以提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，提高供电能力，减少功率损耗。

无功补偿的作用已得到普遍重视，电力系统每年都要投入较大资金用于电压无功补偿，主网220kV平均功率因数已由上世纪80年代0.6左右，提高到0.9以上，对降损节能起到了显著的作用，较大地提高了电力企业的效率。

提供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。

如果由输电系统传输无功功率，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率，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;

而用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。

当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。

这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。

电网中常用的无功补偿方式包括：

1、集中补偿：

在高低压配电线路中安装并联电容器组；

2、分组补偿：

在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；

3、单台电动机就地补偿：

在单台电动机处安装并联电容器等。

加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。

确定无功补偿容量时，应注意以下两点：

1、在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。

2、功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿

就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式：

（1）因电容器与电动机直接并联，同时投入或停用，可使无功不倒流，保证用户功率因数始终处于滞后状态，既有利于用户，也有利于电网。

（2）有利于降低电动机起动电流，减少接触器的火花，提高控制电器工作的可靠性，延长电动机与控制设备的使用寿命。

理论上而言，无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功，就在哪里补偿，整个系统将没有无功电流的流动，但在实际电网当中这是不可能做到的，因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，均会需要无功。

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，对用户而言可获取越大的经济效益。

因此，对于低压配网无功补偿，通常采用低压侧集中补偿方式，即在低压系统（如变压器的低压侧）利用自动功率因数调整装置，随着负荷的变化，自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。

1.2.1同步调相机方式

同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有源补偿器。

同步调相机同电容器相比，该装置的优点是:

在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。

从功能上讲，同步调相机只不过是一个被拖动到某一转速并与电力系统同步运行的同步机。

当电机同步运行后，根据需要，人们控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸收无功功率。

同步调相机具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化。

同步调相机实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机，它只能发出无功功率。

它从电网中吸取少量的有功功率供给运转似的机械损耗和铜、铁等损耗。

同步调相机有过激和欠激两种运行方式。

过激运行时，向系统提供感性无功功率，为无功电源，这是种运行状态比较常见;

欠激运行时，则从系统中吸收感性无功功率，称为无功负荷，这是在系统负荷比较轻，无功功率过剩，电压过高时的特殊运行状态。

只要改变同步调相机的励磁，就可以平滑地改变它的无功功率的大小及方向，因而可以平滑地改变所在地区的电压。

50年来，同步调相机在电压和无功控制中发挥了重要作用。

由于其自身的优点，即在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持，所以至今仍在高压输电系统中发挥着重要的作用。

但是由于其体积大、噪声高、维护不便和高造价等原因，目前在中低压输电区域，大部分己被并联电容器组所取代。

1.2.2并联电容器补偿方式

并联电容器是补偿无功功率的主要无功补偿设备，这种方法结构简单，经济方便，己逐渐取代了同步调相机，并在国内外得到了广泛的应用。

实际电网当中就电容器的安装位置而言通常有如下几种补偿方式:

（1）高压配电线路分散补偿；

（2）变电站集中补偿;

③低压配电线路分散补偿;

（4）随机随器补偿;

（5）跟踪补偿。

各种补偿方式的适用范围及特点如下:

（一）高压配电线路分散补偿

该补偿方式是将电容器组分散安装在高压配电线路上，一般情况下部采用固定补偿。

因此，每个点的补偿容量不易过大，否则会导致在负荷低谷时向上一级电网反送无功或增加无功功率流动，增加网损并使电压升高，影响电容器和其它设备正常运行。

这种方案需要的电容器容量最小，电容器组的利用率也较高，并且能够减少电网和用户变压器及供电线路的无功功率，但电容器承受高压，必须选用高压电容器。

同时，低压侧得不到补偿，不能减少工厂内部配电网路的无功负荷，因而补偿效果较差，该补偿方式一般不常采用，仅作为下级补偿的补充。

（二）变电站集中补偿

变电站集中补偿是在变电站低压侧母线上安装电容器组和投切装置，根据无功负荷的大小投切电容器组。

电容器组的控制设备采用真空或少油开关，可实现较为完善的保护。

若采用集中自动补偿，就更能有效避免出现用电高峰、低谷时的欠、过补偿，防止无功倒送现象，使电网功率因数达到理想的要求值。

但其布置方式一般需要设专用的电容器室或采用室外集中布置。

另外，还需要配置较完善的保护以及控制投切电容器的一次、二次设备，一次投资较大。

这种补偿方式能够减少变电站二次侧输电线路传输的无功功率，降低高压输电网络的无功损耗，但不能减少下一级电网的网损或线损。

在下级补偿不够完善的情况下，变电站集中补偿是保证总受电端功率因数达到考核标准的不可缺少的一种补偿方式。

（三）低压配电线路的分散补偿

低压配电线路分散补偿是将电容器组分散安装在低压配电网380V的线路杆塔上，装设的电容器是根据所供负荷的特性或无功容量而定，补偿后不应反送无功，该种方式采用跌落式开关兼作控制和保护，山于受跌落式开关熄弧能力的限制，每个补偿点的安装容量一般不应超过150KVAR，补偿点位置可根据符合分布情况来确定该方式接线简单，可随杆装设，投资较省，但使用该补偿方式需要对用户作较详尽的分析。

这种补偿方式只能补偿线路无功负荷的基荷部分。

如果电容器组未安装自动投切装置，则这种补偿方式输出的无功功率是一定的，难免会出现线路轻载时过补偿和重载时欠补偿的现象。

若补偿容量过大，在负荷低谷时无功将倒送，增加网损和使电压升高，影响电容器和其它设备的正常运行。

它只能作为下级补偿的补充,不能代替下级补偿，在下级补偿完善的情况下，可以取消低压配电线路分散补偿。

（四）随机随器补偿（亦称就地补偿）

（1）电动机的随机补偿

随机补偿就是将电容器组与电动机绕组直接并接，并且其控制、保护装置与电动机同时投切的补偿方式。

随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主。

为防止电动机推出运行时发生自激，补偿容量一般不应大于电动机空载无功功率。

此种补偿方式接线简单，便于管理维护，可以从根本上消除或减少农网无功负荷的波动，还可简化上级补偿方式，但这种补偿方式需要对用户负荷情况进行详尽的调查分析。

（2）配电变压器的随器补偿（亦称配变集中补偿）

随器补偿是指将电容器与配变同台架设，并联接在配电变压器高压侧或低压侧，以补偿配电变压器空载无功损耗的补偿方式。

现在因干式金属化低压电容器的技术、经济型优于高压电容器，一般都选择在低压侧补偿是较为合理的。

配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，补偿容量不应大于配变励磁无功功率，否则在电源缺相时，将发生铁磁谐振，损坏电容器和变压器。

这种补偿属于固定补偿方式，接线简单、维护管理方便、投运率较高，能有效地补偿配变空载无功，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，但降损效果不如随机补偿。

随机随器无功补偿的优缺点：

①优越性。

用电设备运行时无功补偿投入，用电设备停运时无功补偿退出。

也不需要频繁调整补偿点容量。

具有投资少、占位小、重量轻、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率少、无需专人看管等优点。

②不足之处。

不能自动投切，这也是随机随器补偿跟踪补偿方式相比最大的缺点，它不能象自动投切装置那样，随时按供电网络中的功率因数的变化改变电容器投切数量来平衡无功功率;

停运时反向送电，由于随机随器补偿是把电容器直接并联在用电设备上，所以在用电设备被切断电源后的暂态过程中，电容器反向用电设备放电，如果补偿电容选择不合理，会出现“过电压”，可能损坏用电设备和电容。

因此，选择电容器补偿容量时，一定要科学合理。

对频繁起动的用电设备，特别是电动机，就更应该注意过电压的危害。

（五）跟踪补偿

跟踪补偿是指将低压电容器组连接在用户配电变压器低压侧，利用无功补偿投切装置作为控制保护装置，实时检测和跟踪负荷无功功率的变化，并自动控制补偿电容器的部分或全部容量的投入或切除的无功损耗的补偿方式。

投切方式可为手动或自动。

文献指出了手动投切电容器的方式存在的诸多问题:

比如投切判据失准、电压不易优化等，己无法满足电网安全、设备高效、经济效益优化的现代化企业管理要求。

如果采用自动投切方式，则可以较好地跟踪负荷变化进行补偿，但由于早期自动控制器质量较差，目前的成功应用案例还不多见。

跟踪补偿是保评用户功率因数达到标准的最终环节，利用补偿电容器的分组投切，还能进行调压，改善电压质量。

这种补偿方式的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。

上述补偿方式各有其侧重点，对于一个电网来说，任何一种单一的补偿方式都不能达到理想地效果，只有根据用户的实际情况，采取多种补偿方式的结合，才能最大限度地限制无功功率在电网中的传输和交换，实现无功需、供的就地平衡，获得最佳补偿效益和经济效益。

1.3本文的主要工作

鉴于配电网在电力系统中的重要性和无功补偿装置对配电网安全、优质、高效运行中所起的重要作用，本文主要开展以下工作:

对国内大部分地区的无功补偿现状进行分析，研究配电网无功补偿原理和意义，对现行无功补偿方式、补偿现状和无功补偿装置的应用形式做了简要介绍，提出各类无功补偿形式的优缺点和目前城乡配电网中无功补偿改造、规划中存在的较为普遍的问题，提出无功补偿应用中存在的问题及相应的改进措施，为进一步探讨无功补偿问题奠定基础。

通过系统模型，主要实现电网数据采集与监控并完成电容器组的投切，自动完成无功功率补偿，从而优化电能质量，减少电网损耗。

模型系统具有实时数据采集和实时负荷监测等功能。

当电网电压、电流异常时，系统能迅速报警并采取相应措施，保证电网的安全运行;

记录电网运行参数和电容器投切状态，并实时将数据存储;

判断无功功率相关参数并与设定值比较，及时完成对电容器的投切，同时将动作数据存储并送至上位机;

实时接收并执行从上位机发出的控制命令;

达到分散测控，集中管理的目的。

论文章节中，简要介绍了静止电容器、静止无功补偿器和静止无功发生器这三种无功补偿的原理和方法，并在Matlab/Simulink下对这三种补偿方法分别进行了建模与仿真。

通过仿真结果的比较及各补偿方法优缺点的分析，证明了SVG的调节速度更快，调节范围更广，大大减少补偿电流中谐波的含量，对电能质量的提高有更为显著的优势，充分显示了SVG动态无功补偿的优越性。

本文也讨沦了静止无功补偿器样机的设计开发工作，对各个部分都分别加以了比较完整的说明，包括主电路、控制系统、监测系统、水冷系统、保护系统，最后给出了现场试验的结果。

试验和试运行结果表明，基于DSY的数字控制板和模拟触发电路组成的控制器达到了预期的效果。

SVC样机可以作为一个完整的电力设备，在电力系统中胜任无功功率补偿的任务。

第2章无功补偿的原理

2.1无功补偿的原理

在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率，而且存在无功功率。

虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行交换传递，但是在这种能量交换的过程会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响:

（1）增加电网总电流，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使设备投资费用增大。

在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。

（2）无功电流的增大，对电力系统的发电设备来说，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。

为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。

此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。

（3）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电;

反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。

（4）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。

目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。

如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仪使电气设备得不到充分的