淺談無功補(bǔ)償裝置的工作原理及應(yīng)用文獻(xiàn)綜述

1、河北科技師范學(xué)院文獻(xiàn)綜述淺談無功補(bǔ)償裝置的工作原理及應(yīng)用院（系、部）名 稱 ： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱： 電氣工程及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 年 月 日河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制摘 要電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補(bǔ)償。本文介紹了無功補(bǔ)償裝置的原理，優(yōu)點(diǎn)，分類及

2、發(fā)展前景，更好的介紹了補(bǔ)償裝置對于生產(chǎn)生活的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。更有對電容器補(bǔ)償裝置的分類介紹。關(guān)鍵詞：無功功率；無功補(bǔ)償裝置；原理；電容器補(bǔ)償裝置1 發(fā)展歷程無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展過程無功補(bǔ)償裝置在50多年的發(fā)展歷史中經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，手動到自動的發(fā)展過程。電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償裝置可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類. 從靜態(tài)到動態(tài)，從單一的無功控制到無功電壓綜合控制。國外情況 靜止無功補(bǔ)償裝置( Static Compensator或者SVC- 靜止無功系統(tǒng)是相對于調(diào)相機(jī)而言的一種利用電容器和各種類型的電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償(可提供可變動的容性或感性無功的裝置, 簡稱靜補(bǔ)裝置(靜補(bǔ)或靜止補(bǔ)償器。1967 年, 第一批靜

3、補(bǔ)裝置在英國制成以后, 受到世界各國的廣泛重視, 西德、美國、瑞士、瑞典、比利時、蘇聯(lián)等國竟先研制, 大力推廣, 使得靜止補(bǔ)償裝置比調(diào)相機(jī)具有更大的競爭力, 廣泛用于電力、冶金、化工、鐵道、 科研等部門, 成為補(bǔ)償無功、電壓調(diào)整、提高功率因數(shù)、 限制系統(tǒng)過電壓, 改善運(yùn)行條件經(jīng)濟(jì)而有效的設(shè)備。 國際上幾個大的電氣公司如瑞士的勃朗. 鮑威利公司(BBC ,瑞典通用電氣公司(AA ,美國的通用電氣公司(GE及西屋公司, 日本的富士公司等均發(fā)展了不同類型的靜補(bǔ)技術(shù)。根據(jù)提供無功的性質(zhì)和方式而言, 靜補(bǔ)裝置又分為六種組合方式, 固定電容、固定感性、可變?nèi)菪?、可變感性固定容?可變感性、可變?nèi)菪?可變感

4、性, 通常所指的靜補(bǔ)裝置是指后兩種方式。對可變感性又可分為直流勵磁飽和電抗器(DCMSR。相控閥調(diào)節(jié)電抗 器(TCR(或相控閥高阻抗變壓器 及自飽和電抗器(SR。高壓可控硅元件問世以來, 逐步取代了有觸點(diǎn)開關(guān), 為實(shí)現(xiàn)感性或容性無功的連續(xù)可控調(diào)節(jié)提供了簡便、可靠、活的技術(shù)。國內(nèi)情況 70年代初武漢鋼鐵公司 1. 7cm 軋機(jī)工程進(jìn)口了比利時的直流勵磁飽和電抗器和日本的電容器組成的靜補(bǔ)裝置后, 國內(nèi)才對可變無功的補(bǔ)償問題引起了注意。在國內(nèi), 補(bǔ)償無功用的最多的辦法是并聯(lián)電容器。在低壓(10kv以下 供電網(wǎng)絡(luò)中大量地和在中壓( 60kv、35kv 配電網(wǎng)絡(luò)中少量地裝設(shè)并聯(lián)電容器組, 以滿足調(diào)壓要求

5、, 70年代初有人提出 用大負(fù)荷調(diào)壓變壓器改變并聯(lián)電容器組端電壓, 以調(diào)節(jié)無功出力的設(shè)想, 終因調(diào)壓變壓器的操作開關(guān)壽命不能保證而未能實(shí)現(xiàn)?？勺儫o功的補(bǔ)償問題越來越受到有關(guān)部門的重視, 電力部有關(guān)科研、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)單位對靜補(bǔ)裝置在電力系統(tǒng)中的作用進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究工作。 從國外引進(jìn)的靜態(tài)補(bǔ)償為樞紐變電站或大型企業(yè)所用的大容量靜態(tài)補(bǔ)償, 對于中小型中低壓電網(wǎng)或中小型企業(yè)所需的無功, 多采用并聯(lián)電容器組的辦法。這同時也產(chǎn)生了許多新的問題, 首先其不能迅速連續(xù)地進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié), 其次許多電容器在夜間產(chǎn)生了過量的無功, 使發(fā)電機(jī)換相運(yùn)行, 并影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行, 因此, 中小企業(yè)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)也越

6、采越引起重視。2電容器連接方式為出發(fā)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分類： （1 ） 三相電容器同時投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用三相電力電容器，通過檢測某一相的電流來進(jìn)行計(jì)算并控制電容器的投入數(shù)量來達(dá)到補(bǔ)償目的。由于電容器對三相提供的無功電流相等，因此這類補(bǔ)償裝置只適用于三相電流基本平衡的負(fù)荷情況。當(dāng)負(fù)荷的三相電流不平衡時，不能夠使三相均得到良好的補(bǔ)償，可能有某一相過補(bǔ)償，有某一相欠補(bǔ)償。 此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)簡單價格低廉而用量最大。 （2 ） 單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用單相電力電容器，通過檢測三相電流來進(jìn)行分別計(jì)算并控制各相電容器的投入數(shù)量來達(dá)到補(bǔ)償目的，相當(dāng)于3臺單相補(bǔ)償

7、裝置。這類補(bǔ)償裝置可以使各相的無功電流均獲得良好的補(bǔ)償，但是對不平衡有功電流無能為力。用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時，比三相電容器同時投切型補(bǔ)償裝置的效果好。此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格較高，使用量較少。 （3） 調(diào)整不平衡電流型補(bǔ)償裝置。這類裝置中使用單相電力電容器，通過檢測三相電流來進(jìn)行綜合計(jì)算并控制各相電容器的投入方式和數(shù)量來達(dá)到補(bǔ)償和調(diào)整不平衡電流的目的。與分相補(bǔ)償裝置不同的是，這類補(bǔ)償裝置利用了在相間跨接的電容器可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流的原理，通過在各相與相之間及各相與零線之間接入不同數(shù)量電容器的方法，不但可以使各相的無功電流均獲得良好的補(bǔ)償，還可以將三相間的不平衡有功電流調(diào)整至

8、平衡。這類補(bǔ)償裝置用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時，具有無與倫比的使用效果。 此類補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格略高，由于是新技術(shù)所以使用量較少，但是必然會替代單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。3 無功補(bǔ)償裝置的原理3.1 按投切方式分類:延時投切方式即人們熟稱的"靜態(tài)"補(bǔ)償方式。這種投切依靠于傳統(tǒng)的接觸器的動作，當(dāng)然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導(dǎo)致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險的。當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)荷呈感性時，如電動機(jī)、電焊機(jī)等負(fù)載，這時電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個角度，當(dāng)負(fù)荷呈容性時

9、，如過量的補(bǔ)償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關(guān)系。通過補(bǔ)償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。下面就功率因數(shù)型舉例說明。當(dāng)這個物理量滿足要求時，如cos超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個范圍內(nèi)，此時控制器沒有控制信號發(fā)出，這時已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當(dāng)檢測到cos不滿足要求時，如cos滯后且<0.95，那么將一組電容器投入，并繼續(xù)監(jiān)測cos如還不滿足要求，控制器則延時一段時間（延時時間可整定），再投入一組電容器，直到全部

10、投入為止。當(dāng)檢測到超前信號如cos<0.98,即呈容性載荷時，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時就要先切除。如果把延時時間整定為300s，而這套補(bǔ)償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時間內(nèi)無功損失補(bǔ)只能是逐步到位。如果將延時時間整定的很短，或沒有設(shè)定延時時間，就可能會出現(xiàn)這樣的情況。當(dāng)控制器監(jiān)測到cos0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時電網(wǎng)可能已是容性負(fù)載即過補(bǔ)償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復(fù)始，形成震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。是否能形成振蕩與負(fù)載的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以說這個參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場

11、情況整定，要在保證系統(tǒng)安全的情況下，再考慮補(bǔ)償效果。瞬時投切方式瞬時投切方式即人們熟稱的"動態(tài)"補(bǔ)償方式，應(yīng)該說它是半導(dǎo)體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的技術(shù)結(jié)晶，實(shí)際就是一套快速隨動系統(tǒng)，控制器一般能在半個周波至1個周波內(nèi)完成采樣、計(jì)算，在2個周期到來時，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導(dǎo)通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機(jī)械動作的接觸器類無法實(shí)現(xiàn)的。動態(tài)補(bǔ)償方式作為新一代的補(bǔ)償裝置有著廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在很多開關(guān)行業(yè)廠都試圖生產(chǎn)、制造這類裝置且有的生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯的裝置。當(dāng)然與國外同類產(chǎn)品相比從性能上、元器件的質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)

12、構(gòu)上還有一定的差距。 動態(tài)補(bǔ)償?shù)木€路方式(1 LC串接法原理如圖1所示 圖 1這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調(diào)節(jié)電抗以達(dá)到補(bǔ)償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應(yīng)速度快，閉環(huán)使用時，可做到無差調(diào)節(jié)，使無功損耗降為零。從元件的選擇上來說，根據(jù)補(bǔ)償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該是非常理想的補(bǔ)償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動態(tài)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以體積也相對較大，價格也要高一些，再加一些技術(shù)的原因，這項(xiàng)技術(shù)到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。 (2 采用電力半導(dǎo)體器件作為電容器組的投切開關(guān)，較常采用的接線方式如圖2。圖中BK為半導(dǎo)體器件，C

13、1為電容器組。這種接線方式采用2組開關(guān)，另一相直接接電網(wǎng)省去一組開關(guān)，有很多優(yōu)越性。作為補(bǔ)償裝置所采用的半導(dǎo)體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點(diǎn)是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟(jì)。其不足之處是元件本身不能快速關(guān)斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護(hù)措施要完善。當(dāng)解決了保護(hù)問題，作為電容器組投切開關(guān)應(yīng)該是較理想的器件。動態(tài)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數(shù)。很重要的一項(xiàng)就是要求控制器要有良好的動態(tài)響應(yīng)時間，準(zhǔn)確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。當(dāng)控制器采集到需要補(bǔ)償?shù)男盘柊l(fā)出一個指令（投入一組或多組電容器的指令），此時由觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，相應(yīng)的電容器組也就并人

14、線路運(yùn)行。需要強(qiáng)調(diào)的是晶閘管導(dǎo)通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導(dǎo)體器件應(yīng)該是無涌流投切。當(dāng)控制指令撤消時，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關(guān)斷。關(guān)斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。元器件可以選單項(xiàng)晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負(fù)載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。實(shí)際上就是靜態(tài)與動態(tài)補(bǔ)償?shù)幕旌?，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導(dǎo)體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補(bǔ)，但就其控制技術(shù)

15、，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡(luò)如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應(yīng)用范圍，節(jié)能效果更好。補(bǔ)償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補(bǔ)償效果更加細(xì)致，更為理想。還可采用分相補(bǔ)償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。在這一方面，選擇那一種補(bǔ)償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補(bǔ)償?shù)木€路要有所了解，對于負(fù)荷較大且變化較快的工況，電焊機(jī)、電動機(jī)的線路采用動態(tài)補(bǔ)償，節(jié)能效果明顯。對于負(fù)荷相對平穩(wěn)的線路應(yīng)采用靜態(tài)補(bǔ)償方式，也可使用動態(tài)補(bǔ)償裝置。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機(jī)啟動也在幾秒鐘以上，而動態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是

16、一個相對的穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)補(bǔ)償裝置能完成這個過程。4 補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)近年來，由于電網(wǎng)容量的增加，對電網(wǎng)無功要求也與日增加。無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、 有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn) 行所不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中，無功要保持平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓 下降，嚴(yán)重時，會導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)解列。 此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償問題，對網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義。 隨著能源的日益緊缺，節(jié)能降耗日益引起人們的關(guān)注。無功功率補(bǔ)償作為一種投資少、收效

17、快的重要節(jié)能形式變得尤加重要。裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置后的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在如下幾個方面:提高功率因數(shù)，避免罰款，減少工礦企業(yè)電費(fèi)開支，降低企業(yè)成本；減少電氣設(shè)備中的電流，降低損耗，節(jié)約電能；可降低電力系統(tǒng)電壓損失，減少電壓波動改善電能質(zhì)量；增加變壓器及電網(wǎng)的利用率。節(jié)省電器設(shè)備的投資。挖掘原有電氣設(shè)備潛力；增加變壓器及電網(wǎng)的利用率。減少設(shè)備發(fā)熱，減少設(shè)備損壞，提高了設(shè)備的可靠性。就補(bǔ)償裝置來說，較高壓補(bǔ)償裝置而言，低壓無功補(bǔ)償裝置具備以下幾個優(yōu)點(diǎn)：一是安裝靈活方便，對環(huán)境要求不高，配套設(shè)備少，維護(hù)維修方便，安全要求一般；二是投資少，由于電壓等級低，設(shè)備在市場上即可購到，投資是同容量高壓補(bǔ)償裝置的30

18、%50%；三是投切靈活，這也是它最大的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)線路無功電流的變化，自動投入切除電容，達(dá)到無功的平衡。相對于高壓補(bǔ)償裝置動輒幾百千乏的投切來說，使用低壓自動補(bǔ)償裝置可以達(dá)到“無極變速”。 因此，在配電網(wǎng)中，為減少線路損耗達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)盡量減少有功功率以外的功率流動。并且無功補(bǔ)償應(yīng)以隨機(jī)就地補(bǔ)償為主，高壓線路中的補(bǔ)償、變電站補(bǔ)償為輔。5 補(bǔ)償裝置的應(yīng)用前景在電力系統(tǒng)中, 電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重要的指標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi) 。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān), 而電壓控制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行控制。這便

19、是本文探討無功補(bǔ)償裝置的原因所在。無功功率補(bǔ)償?shù)闹匾匀澜绱蠹s30%的主要能源用來產(chǎn)生電能。幾乎所有的電能都是以50Hz或60Hz的交變電流來傳輸和分配的。而無功功率是交流電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的一個重要因素。由于一系列原因, 無功功率控制的重要性與日俱增。原因如下: 1 由于燃料價格上漲,，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的要求日益迫切。2 輸電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展已經(jīng)受到限制。3 水力資源的開發(fā)已經(jīng)不得不在遙遠(yuǎn)的、條件惡劣的地 方進(jìn)行, 這樣遠(yuǎn)距離的輸電需要解決穩(wěn)定性及電壓控制問題。4 由于使用電子設(shè)備日益增多, 也由于連續(xù)過程工業(yè)的增長, 對供電質(zhì)量的要求越來越高。5 直流輸電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用表明, 要求在換流器的交流側(cè)進(jìn)行無