電網(wǎng)無功功率自動補償控制裝置研究

1、分類號： 密級： ： 編號： 工程碩士學位論文 電網(wǎng)無功功率自動補償控制裝置研究 碩士研究生： 覃登羅 一指導教師： 劉勝教授 企業(yè)導師： 陳偉林高工 學位級別： 工學碩士 工程領域： 電氣工程 所在單位： 廣州中船黃埔造船 論文提交日期： 年月 論文辯論日期： 年月 學位授予單位： 哈爾濱工程大學 哈爾濱工程大學碩士學位論文 摘 要 隨著供需矛盾的加深及人們對供電質量要求的提高，配電網(wǎng)無功功率補償成為目前電力系統(tǒng)中的一項重要工程一本課題通過設計無功補償自動控制器來實現(xiàn)并聯(lián)電容器組的自動投切，完成無功功率的自動補償，保證電力網(wǎng)的電力品質合格。 以功率因數(shù)和電壓兩個量作為動作判斷的依據(jù)，對電容進

2、行投切是本設計的動作原理，即根據(jù)“保證電壓合格，無功根本平衡，盡量減少控制次數(shù)的原那么，當電網(wǎng)電壓處于合格范圍時，以提高功率因數(shù)、降低電能損耗為主要目的，當無功功率越上限時，投入電容器組來降低無功功率，當無功功率越下限時，切除電容器組來提高無功功率；當電網(wǎng)電壓過高時，將投入的電容切除來降低電網(wǎng)電壓。對現(xiàn)存無功自動控制器所存在的缺乏，從軟件實現(xiàn)上作了一些改良，采用優(yōu)化的投切控制區(qū)域圖實行控制，并實現(xiàn)對電容器組進行強行投入和強行切除控制，根本上克服了所存在的缺乏，提高了補償精度和快速性，實現(xiàn)了循環(huán)投切，防止了投切振蕩，延長了電容器組的壽命；從硬件設計和軟件設計上采取多項抗干擾措施進行電磁兼容設計，

3、提高裝置的抗干擾能力，使裝置的工作更加穩(wěn)定。 以為核心芯片，可獲得很高的測量精度；以功能強大的單片機為控制器，使控制器具有很高的靈活性與可靠性。從電網(wǎng)中檢測到功率因數(shù)的相關參數(shù)電壓、電流、有功功率送單片機，單片機計算出功率因數(shù)，將計算出的功率因數(shù)和電壓與設定的功率因數(shù)和電壓上下限進行比擬，按優(yōu)化的控制區(qū)域圖控制規(guī)那么，發(fā)出相應的電容器投切的命令。 本裝置提供了友好而簡易的操作界面，能夠實時顯示電壓、電流、功率因數(shù)、投切電容器組等狀態(tài)，并設有報警、閉鎖功能。同時用戶可根據(jù)需要通過鍵盤設定功率因數(shù)上、下限值和過電壓值等參數(shù)。采用總線標準在單片機與上位機之間實現(xiàn)串行通訊，上位機可實時監(jiān)控功率因數(shù)、電

4、壓等狀態(tài)。關鍵詞：無功功率；功率因數(shù)；并聯(lián)電容器； 哈爾濱工程大學碩士學位論文田一 一 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。， ， ， ， 謝吐 ， 哈爾濱工程大學碩士學位論文 ， ， ， ， 一 ?酰? ， ： ； ； ；· 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由本人獨立完成的。有關觀點、方法、數(shù)據(jù)及文獻的引用己在文中指出，并于參考文獻相對應。除文中已注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式說明。本人完全意識到本聲

5、明的法律結果由本人承當。 作者簽字：壅盟 日期：略年月，日 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第章緒論課題的背景和意義課題的背景 隨著我國經(jīng)濟開展和國際化能源緊張局勢的加劇，加強電能質量和節(jié)能降耗管理已成為國家政策中的重要內容。電力網(wǎng)輸送的功率經(jīng)過線路和變、配電設備時，都會造成功率損失，配電網(wǎng)無功的合理分布對提高電網(wǎng)的電能質量和節(jié)能降耗的影響十分重要，無功補償是降低線損的有效措施。 功率因數(shù)的電壓是電能的兩個主要質量指標。?供電營業(yè)規(guī)那么?對功率因數(shù)給定了一個最低限量，其標準為：及以上高壓供電的用戶功率因數(shù)為以上；其它電力用戶和大、中型電力提灌站、躉購轉售電企業(yè)，功率因數(shù)為以上；農(nóng)業(yè)用電功率因數(shù)為。

6、凡功率因數(shù)達不到要求的用戶，要設計和安裝無功補償設備，以提高功率因數(shù)，否那么供電企業(yè)可拒絕供電。無功電力是影響電壓質量的一個重要因素。為加強無功電力的管理，各級電壓的電力網(wǎng)和電力用戶都要提高自然功率因數(shù)，并按“全面規(guī)劃、合理布局、分級補償、就地平衡的原那么，安裝無功補償設備。 造成電網(wǎng)的電力品質變壞的因素很多，其中電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等是造成功率因數(shù)、電壓不合格的主要因素，這些設備屬于感性負荷，在運行過程中需要向它們提供相應的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源提供應感性負荷、經(jīng)線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在

7、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，這就是無功補償。無功補償可以提高功率因數(shù)，是一項投資少、收效快的降損節(jié)能措旌。目前無功補償設備以并聯(lián)電容器為主，而電容器的投切的準確性對補償?shù)男Ч陵P重要，因此，提出了要研究的課題一無功功率補償自動控制器的研究。 本課題是針對大功率電動機的就地補償而設計的，目的是提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損，節(jié)約電能和提高供電質量。 哈爾濱工程大學碩士學位論文課題的意義我國供電現(xiàn)狀 近幾年來，由于經(jīng)濟形勢的開展，投資環(huán)境的改善，電價逐步降低，工業(yè)用電、住宅用電隨之迅速增長?孀毆詰繽腦斕鬧鴆酵平淶繽慕峁怪鴆角饔諍俠?？P苤柿坑興納?？z咚鷯興陸怠殼埃夜鞘

8、械繽縋芰蛔悖鼙酰煽啃越喜?；纳愐暠前的久窚夏需依_牡繆怪副暌膊荒芰釗寺狻繽咚鵓癰卟幌攏峭咚鷴矢呤瞧渲匾頡捎謨玫緲突詼啵òü怠怠旃桃怠沒齲恍玫緲突諼薰鉤矯婊蠱氈椴還蛔躍酰賈鋁伺淶縵低功率因數(shù)普遍低于，電壓質量、供電線損還很不理想。無功缺乏的危害 在電力系統(tǒng)中，有功缺乏會引起頻率下降；無功缺乏將導致電壓降低。電壓是電能質量的主要指標之一，電壓過低，對電網(wǎng)的平安運行、經(jīng)濟運行及用戶電氣設備危害是很大的，主要表現(xiàn)有： 當電壓下降到額定電壓的時，無功靜態(tài)穩(wěn)定受破壞，發(fā)生電壓崩潰，造成大面積停電事故。 降低發(fā)、供電設備的能力。由于電壓低而多送無功負荷，實際是降低輸送有功負荷的能力。 增加

9、電網(wǎng)的功率損耗及電能損耗。由于有功功率損失與電壓、功率因數(shù)平方成反比，隨著電壓、功率因數(shù)的降低，電能損耗將急劇增加，增加了供電本錢。 燒毀電動機。當電壓降低時，異步電動機轉差率增大，繞組中電流增大，溫升增大，效率降低，壽命縮短，有的因長期低電壓運行，使絕緣老化、發(fā)熱而燒毀。 電壓過低還使電爐等設備的發(fā)熱效率降低，白熾燈發(fā)光效率降低。 過低的電壓會使接觸器、繼電器無法吸合，各種電子設備不能正常工作。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 發(fā)電機因電壓低而影響有功及無功出力。 垃 由上式可見，當負載的功率因數(shù)時，發(fā)電機的電壓和電流又不能超過額定值，顯然這時發(fā)電機所能發(fā)出的有功功率就減小了。功率因數(shù)愈低，發(fā)電

10、機所發(fā)出的有功功率就愈低，而無功功率卻愈大。無功功率愈大，即電路中能量互換的規(guī)模愈大，即發(fā)電機發(fā)出的能量就不能充分利用。無功補償?shù)淖饔?綜上所述，提高功率因數(shù)是一個十分重要的課題，從整體看，必須提高電網(wǎng)中各個組成局部的功率因數(shù)，才能充分利用發(fā)電、變電設備容量，減少網(wǎng)損，降低線路的電壓損耗，以到達節(jié)約電能和提高供電質量的目的。而無功補償是提高功率因數(shù)的重要手段，無功補償有以下作用： 節(jié)省電費開支 提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經(jīng)濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求到達的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費，高于規(guī)定數(shù)值，可相應地減少電費。可見，提

11、高功率因數(shù)對企業(yè)有著重要的經(jīng)濟意義。 挖掘設備潛力 由于負荷功率因數(shù)低，影響發(fā)電機出力，因為發(fā)電機、變壓器等設備容量是用千伏安來表示的，提高功率因數(shù)后，發(fā)電機、變壓器等設備可以增加有功出力： 對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲藏，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網(wǎng)絡己趨于過載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運行，從而發(fā)揮原有設備的潛力；對尚處于設計階段的新建企業(yè)來說那么能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。假設變壓

12、器容量為，當功率因數(shù)由伊提高到緲時，可挖掘出的設 哈爾濱工程大學碩士學位論文備容量為品竺堊一，可增加有功出力為：。因此， 擴使用無功補償不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的根本電費。 降低功率損耗和電能損耗 當有功負荷不變時，功率因數(shù)越高，負荷電流越小，而電力設備的損耗與負荷電流的平方成正比。假設輸配電線路上輸送功率，輸送端電壓為，線路電阻為，那么在線路上的有功損耗：；。即線 口路功率損耗與夠的平方成反比，功率因數(shù)越高，有功功率損耗就越小。 改善電壓質量 假設輸配電線路的電阻為，電抗為，輸送功率為歹，其電壓損耗：。功率因數(shù)高，就小，壓降就減小，即在受電端的 “電壓就穩(wěn)定。國內外研究的現(xiàn)狀研

13、究現(xiàn)狀 為提高供電設備效率，減少供電線路電能損失，國內外白上世紀年代初就開始進行無功功率補償裝置的研究工作，其方法主要有兩種：一種是在電網(wǎng)上并聯(lián)電容器，通過提高電網(wǎng)的功率因數(shù)到達減少線路電壓損耗、提高供電設備利用率的目的，這種方法適用于居民、商業(yè)及小型工廠的低壓供電系統(tǒng)；另外一種是在電網(wǎng)上并入同步電動機，通過改變同步電動機勵磁電流的方法來改變電路負載特性，這種方法適用于大型工廠中的無功功率補償。對電力無功控制問題，國內外作了大量的研究，取得極為可觀的成果，有傳統(tǒng)方式的電力無功自動控制裝置，有以模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡為根底的電力無功綜合控制。近年來國內外專家、學者提出了許多基于新理論新方法的電力無功

14、控制裝置，己有一些產(chǎn)品應用于生產(chǎn)，取得了不少珍貴經(jīng)驗。概括起來講，對變電站電力無功控制的研究主要有兩方面，即離線優(yōu)化和實時監(jiān)控。離線優(yōu)化是根據(jù)專家經(jīng)驗或由計算機在變電站一次側電壓和二次側有功和無 哈爾濱工程大學碩士學位論文功負荷預測根底上進行優(yōu)化計算，得出第二天的調節(jié)方案，由調度下發(fā)給各站，調節(jié)方案以小時為聞隔，很不精確，而且調節(jié)方案是以變電站電壓和負荷預測為根底的，當預測數(shù)據(jù)不準時調節(jié)方案就失去了意義。實時監(jiān)控是通過對變電站主變高壓側無功功率和中低壓側母線的電壓不斷采樣，一旦發(fā)現(xiàn)母線電壓或無功功率超越限值就根據(jù)一定的規(guī)那么調節(jié)有載調壓變壓器分接頭和投切并聯(lián)電容器組，將電壓和無功控制在各自的允

15、許范圍之內。 目前，國內外有很多廠家生產(chǎn)研制無功自動控制器，其結構根本上都是由四局部組成：檢測單元、主控單元、執(zhí)行單元、電源，如圖所示。其工作原理是：檢測單元檢測電網(wǎng)參數(shù)電壓、功率因素等，送到主控單元，主控單元根據(jù)一定的投切算法，計算電容器的下一個投切狀態(tài)，發(fā)出命令，執(zhí)行單元執(zhí)行此命令，對電容器進行投切。控制器投切判斷方式有以下幾種： 按照功率因數(shù)投切電容：當功率因數(shù)低于設定值時，投入電容：反之，當功率因數(shù)高于設定值或電流超前時，那么切除補償電容。這種方式未考慮投切電容器組對母線電壓的影響，而且當負荷較輕時，較小的無功功率變化會引起功率因數(shù)的變化，存在動作頻繁的問題。因此應設定一個電流下限，當

16、小電流負荷很輕時，應該閉鎖電容器，以免產(chǎn)生投切振蕩。 按照電壓投切電容：當供電電壓低于設定值下限時就投入電容，當電壓高于設定值上限時，電壓器切除。按照無功和電壓的關系，補償裝置能夠使電壓穩(wěn)定在一個范圍內。但是，這種補償方式可能造成無功倒送，功率因數(shù)超前，而且在小電流時也應該閉鎖電容。 根據(jù)電壓、時間序列的復合控制。根據(jù)變電站的日負荷曲線，將每天分為多個負荷時段，根據(jù)不同負荷時段對電壓和無功的要求對變壓器分接頭進行調壓和投切并聯(lián)電容器組。該方法適應性差，只適合負荷較穩(wěn)定的場合，且負荷時段的劃分必須隨季節(jié)和負荷的變化而調整。 按電壓和無功功率進行綜合控制。根據(jù)母線電壓和無功功率將運行情況分為九個區(qū)

17、域，在不同區(qū)域采用不同的控制對策，綜合利用有載調壓變壓器分接頭開關和投切電容器組兩種手段將母線電壓和無功功率控制在各自允許范圍之內。該方法主要用于變電站，綜合考慮電壓和無功功率，是目前變電站采用最多的控制方法，但在某些情況下也存在動作過于頻繁的問題，在有些情況下甚至會引起振蕩，因此如何盡量減少動作次數(shù)是該方法要解決一 一鼉一 的主要問題。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 針對上述動作過于頻繁的問題，出現(xiàn)了應用人工智能技術，通過對 電壓、無功功率進行預測來減少動作次數(shù)的方法。該方法先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)應用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡對無功負荷進行預測，然后將預測結果連同當前的 母線電壓、無功功率、功率因數(shù)等經(jīng)模糊化后作

18、為另外一個人工神經(jīng)元網(wǎng)絡 的輸入，該筒州的輸出即為調節(jié)動作的決策。該方法計算復雜，對硬件要 求很高，而且其動作是否合理尚依賴于人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練工作的成功與 否。到目前為止，該方法未得到廣泛應用。 無功補償方案 變電站集中補償方式 在這種方式下，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調相機、靜止補償器等， 主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高終端電壓。補償裝置一般連接在變 電站的母線上，優(yōu)點是管理容易、維護方便；缺點是對配電網(wǎng)的降損 起不到什么作用。 低壓集中補償方式 目前，國內較普遍采用的另外一種無功補償方式，是在配電變壓器 側進行集中補償。在這種方式下，補償裝置通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電 容器柜

19、，容量在幾十至幾百千乏不等，它是根據(jù)用戶負荷水平的波動，投入 相應數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因 數(shù)，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用， 也保證該用戶的電壓水平。這種補償方式的投資及維護均由專用變壓器用戶 承當。目前國內各廠家生產(chǎn)的自動補償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進行電容 器的自動投切，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進行控制的。這 種補償方式雖然利于保證用戶的電能質量，但對電力系統(tǒng)并不可取。因為線 路電壓的波動主要由無功量變化引起，而線路的電壓水平由系統(tǒng)情況決定。 當線路電壓基準偏高或偏低時，無功功率的投切量可能與實際需求相差

20、甚遠， 可能出現(xiàn)無功功率補償過多或補償缺乏的情況。對配電系統(tǒng)來說，除了專用 變壓器之外，還有許多公用變壓器，而面向廣闊家庭用戶及其他小型用戶的 公用變壓器，其通常安裝在戶外的桿架上，進行低壓無功功率集中補償那么是 哈爾濱工程大學碩士學位論文不現(xiàn)實的，難維護、控制和管理，容易成為生產(chǎn)平安隱患。這樣，配電網(wǎng)的補償度就受到了限制。 桿上無功補償方式 把戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上或另行架桿的方法來進行無功補償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，到達降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠離變電站，容易出現(xiàn)保護不易配置，控制本錢高，維護工作量大，受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此，桿上無功功率優(yōu)化補償原那么是：補償點宜少；控制方式從簡；補償容量不宜過大；接線宜簡單；保護方式也要簡化；壬防止電容器安裝后產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。 顯然，桿上無功補償主要是針對 饋線上沿線的公用變壓器所需無功功率進行補償，因這種補償方式具有投資小、回收快、補償效率較高、便于管理和維護等優(yōu)點，適合于功率因數(shù)較低且負荷較重的長距離配電線路，但是因負荷經(jīng)常波動，而該補償方式又是長期固定補償，適應能力較差，主要是補償了無功基荷，在線路重載情況下，補償度一般是不能到達。 用戶終端分散補償方