無功補償設計

1、電力系統(tǒng)自動化課程設計報告書題目名稱：無功補償設計學院：機電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：2013級2班學號名：指導教師：2016年12月課程設計報告書設計目的文將對供配電系統(tǒng)中無功功率產(chǎn)生機理及其對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響及造成的危害進行分析，同時，分析、研究無功補償裝置的原理，通過電容器的無功補償，得到一套較為完善的補償方案，并用本方案對某一需要無功補償?shù)呐潆娋W(wǎng)進行無功補償.引言電力系統(tǒng)的無功平衡，是保證電壓質(zhì)量的基本條件，有效的電壓控制和合理的無功補償，不僅能保證電壓質(zhì)量，而且能提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性.電網(wǎng)無功補償設備有調(diào)相機、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電容器

2、、靜止補償器、交流濾波器等.其中并聯(lián)電容補償裝置因具有投資少、損耗低、噪音小及施工運行維護簡單等優(yōu)點，而被電網(wǎng)大量而普遍的使用。并聯(lián)電容補償裝置設計是一個綜合性的技術(shù)，除考慮電容器本體外，還涉及到與許多設備的配合，如開關(guān)、電抗器、熔斷器、避雷器、放電裝置、繼電保護、自動投切裝置、儀表、通風設備等；在電氣性能方面除考慮其合閘涌流和分閘過電壓外，還應考慮系統(tǒng)的無功電壓、線損、諧振等一系列的問題一、無功補償?shù)囊饬x無功補償技術(shù)是提高電網(wǎng)供電能力、減少電壓損失和降低網(wǎng)損的一種有效措施。電力電容器具有無功補償原理簡單、安裝方便、投資小，有功損耗小，運行維護簡便、安全可靠等優(yōu)點.因此，在當前，隨著電力負荷的

3、增加，要想提高電網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，通過采用補償電容器進行合理的補償，是能夠提高供電質(zhì)量并取得明顯的經(jīng)濟效益的。二、無功補償裝置2.1無功補償裝置的類型無功補償裝置按照出現(xiàn)的時間順序可以分為傳統(tǒng)的補償裝置和現(xiàn)代的補償裝置.傳統(tǒng)補償裝置有由簡單的電容器和電抗器構(gòu)成的補償裝置和同步調(diào)相機；現(xiàn)在的補償裝置一般由可以快速反應的晶閘管控制，如品閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器等。設計內(nèi)容變電站中傳統(tǒng)的無功補償裝置主要是調(diào)相機和靜電電容器。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，交流無觸點開關(guān)SCRGTRGTO?相繼出現(xiàn),將其作為投切開關(guān)無功補償都可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進行單相調(diào)節(jié)。如今所指的靜

4、止無功補償裝置一般專指使用晶閘管投切的無功補償設備，主要有以下三大類型：(1)具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置；(2)品閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器，這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC(3)采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補償裝置-高級靜止無功發(fā)生器2。2無功補償裝置的作用：無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率.無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的.變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二

5、次線圈感應出電壓。在電力系統(tǒng)中，由于無功功率不足，會使系統(tǒng)電壓及功率因素降低，從而損壞用電設備，嚴重時會造成電壓崩潰，使系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。另外，功率因素和電壓的降低，還會使電氣設備得不到充分利用，造成電能損耗增加，效率降低，限制了線路的送電能力，影響電網(wǎng)的安全運行及用戶的正常用電。無功補償設備的作用：(1)改善功率因數(shù)；(2)改善電壓調(diào)節(jié)；(3)調(diào)節(jié)負載的平衡性.三、投切開關(guān)的選取對于無功功率補償裝置來說，選擇何種電容器投切執(zhí)行機構(gòu)，對整套裝置的安全運行是至關(guān)重要的。目前用于電容器投切的執(zhí)行元件主要有：(1)電容器專用接觸器，此類產(chǎn)品是在普通接觸器的基礎(chǔ)上增加限流電阻或限流線圈的方案來

6、限制合閘涌流。安裝接線方便，運行費用低且價格低廉.但會產(chǎn)生投切涌流和關(guān)斷時的過電壓，僅適用于負載無功功率變化不大且不頻繁操作、系統(tǒng)工作較平穩(wěn)的場合.(2)晶閘管電子開關(guān)，此類產(chǎn)品具有電壓過零投入、電流過零切除、反應速度快等特性，可實現(xiàn)電容器的投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動態(tài)補償功能，該裝置特別適用于電容器需要頻繁投切的無功補償場合.但品閘管也存在損耗大、散熱差等不足，影響了無功補償裝置的可靠性，且成本相對過高。(3)復合開關(guān)，復合開關(guān)的工作原理是將品閘管和交流接觸器并接：電容器投切瞬間，品閘管工作，正常接通期間接觸器可靠閉合，既有可控硅開關(guān)過零投切的優(yōu)點，又有接觸器無功耗的優(yōu)點.投

7、電容器時，保證電壓過零合閘；切電容時，保證電流為零關(guān)斷，在保證快速投切情況下，避免了涌流、諧波注入及觸點燒損現(xiàn)象。而在正常工作時，利用接觸器導通容量大、壓降小、功耗小、工作可靠等優(yōu)點，不會帶來高溫升、高能耗問題.復合開關(guān)適宜頻繁操作，整機使用壽命長，價格也相對適中。要保證投切開關(guān)長期、可靠的運行，選用時必須注意以下幾點：(1)投切開關(guān)的額定電流必須與投切的電容的額定電流匹配。(2)投切開關(guān)的接線端子過流要滿足額定電流。(3)投切開關(guān)的端子的接線必須牢固可靠。四、電容器無功補償方式電容器補償裝置可以串聯(lián)補償也可并聯(lián)補償，一般用于補償配電網(wǎng)中感性負荷.在電力系統(tǒng)中，負載類型是多樣化的，但其中以異步

8、電動機類型的負載為最多。異步電動機類型的負載為阻感性負載，可認為是電感和電阻R串聯(lián)的負載，其功率因數(shù)可用式公式計算。RRcos0=-；=；展+Xf+(叫？止匕時，電壓U與電流I之間的相位差由補償前的1?變小到2?,即系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，如果補償后的功率因數(shù)2cos?達到要求，則達到了無功補償?shù)哪康摹?.1串聯(lián)無功補償用聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值QcX/V隨無功負荷增大而增大，減小而減小，恰與調(diào)壓要求一致，這是串聯(lián)電容器調(diào)壓的一個顯著優(yōu)點.但對負荷功率因數(shù)高(cos>0.95)或者導線截面小的線路，由于PR/V分量的比重較大，串聯(lián)補償?shù)恼{(diào)壓效果就很小。止匕外，串聯(lián)補償可能會產(chǎn)生鐵磁諧振和

9、自勵磁等許多異?，F(xiàn)象.用聯(lián)電容器與導線相串聯(lián)以補償線路的感性電抗。這將減小線路所連節(jié)點間的轉(zhuǎn)移電抗，增大最大傳輸功率，減小實際的無功功率損耗.盡管用聯(lián)電容器通常不用于電壓控制，但它們確實能改善電壓控制和無功功率平衡。由于串聯(lián)電容器產(chǎn)生的無功功率隨功率傳輸?shù)脑黾佣黾樱谶@個方面，串聯(lián)電容器能自我調(diào)節(jié)。用聯(lián)電容器主要用于補償線路的部分串聯(lián)感抗，從而降低輸送功率時的無功功率損耗，也是得到較早應用的一種無功功率補償裝置。它是國內(nèi)外電力系統(tǒng)在遠距離輸電時比較普遍采用的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送能力的重要手段。如圖(a),R、L為等效感性電路或感性負載，C為串聯(lián)電容，圖(b)為電壓矢量三角關(guān)，圖(c)為電阻、

10、電感和阻抗矢量三角關(guān)系.LRuc*o(a)RLC簡單串聯(lián)等值電路由此可知，只要串聯(lián)恰當?shù)碾娙萜?，就可以減小功率因數(shù)角?2即提高由此可知，只要串聯(lián)恰當?shù)碾娙萜?，就可以減小功率因數(shù)角?2即提高功率因數(shù)cos?2o4。2并聯(lián)電容器的補償方式并聯(lián)電容器組是電網(wǎng)中使用較廣的一種專用于無功功率補償?shù)脑O備,它以其低廉的價格、方便的使用而受到廣泛使用。具補償原理前文己有敘述，這里不再介紹。按照電容器組安裝位置的不同，并聯(lián)電容器組無功功率補償方式一般可以分為集中補償方式、分散補償方式和單機就地補償方式三種。(1)集中補償方式：將電容器組直接安裝在變電所的610KV母線上，用來提高整個變電所的功率因數(shù)，使該變電所

11、的供電范圍內(nèi)無功功率基本平衡.可以減少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高供電電壓質(zhì)量。（2）分組補償方式：將電容器組分別裝設在功率因數(shù)較低的終端配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補償.這種方式具有與集中補償相同的優(yōu)點，僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償效果比較明顯，采用的較為普遍。（3）就地補償方式：將電容器或電容器組裝設在異步電動機或者電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設備的電壓質(zhì)量，對中小型設備十分適用。4.3 并聯(lián)電容器的接線方式電容器接線方式不同，相應的補償方式也不同。在無功補償中，線路的

12、補償電容器組有如下三種接線方式：三角形接法（接法）、星形接法（Y接法）、三角形和星形相結(jié)合接法（-Y）,相應的補償方式也就分為三相共補、三相分補、三相共補與三相分補相結(jié)合的方式.三角形接線對應于三相共補的方式。如圖2.3所示。傳統(tǒng)的低壓補償大都是采用三相共補的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一采樣，各相投入相同的補償容量.這種補償方式適用于三相負載基本平衡、各相負載的功率因數(shù)相近的網(wǎng)絡。星形接線對應于三相分補方式。三相分補方式就是各相分別取樣，按照需要分別投入不同的補償容量。此種方法適用于各相負載相差較大，其功率因數(shù)值也有較大差別的場合.與三相共補不同的是：控制器分相進行工作，互不影響.當然，其價格高于三相

13、共補的裝置，一般要貴20%30%o三角形和星形相結(jié)合接線對應于三相共補與三相分補相結(jié)合的方式。三相共補部分的電容器為接線，三相分補部分的電容器為Y接線。采用此種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活.4.4 并聯(lián)無功補償并聯(lián)無功補償與串聯(lián)無功補償?shù)淖饔弥欢荚谟跍p少電壓損耗中的QcX/V分量。并聯(lián)補償能減少Q(mào),采用并聯(lián)補償能從網(wǎng)損節(jié)約中得到抵償，而在降低網(wǎng)損及提高用戶功率因數(shù)方面，并聯(lián)補償要比串聯(lián)補償優(yōu)越白多.4.5 并聯(lián)電容器裝置的投切方式對電力低壓用戶而言按功率因數(shù)變化控制電容器組的投切是主要的方式。對于系統(tǒng)內(nèi)樞紐點大容量電容器組的投切，應綜合考慮無功功率、電壓、時間及有載調(diào)壓變壓器等因素.

14、10kV及以下的電容器組的自動投切技術(shù)比較成熟和簡單，設備選擇也較容量，固定宜選用自動投切方式。35kV及以上電容器組的自動投切的技術(shù)相對較復雜和不成熟，其頻繁操作對高壓開關(guān)的機械和電氣壽命的要求也更高，基于上述原因高壓電容器組一般為手動投切。五、案例分析1。電網(wǎng)狀況及用電設備(1) 1#變壓器容量為16000KVA變比為35KV/10KV下帶負載為2臺7200KVA中頻爐變和一臺1800KVN口熱爐變，中頻爐運行產(chǎn)生的特征諧波以11、13次為主，濾波裝置接入10KV母線。(2) 4#變壓器容量為20000KVA變比為35KV/10KV主要負載為10KV母線側(cè)2臺8000KVA中頻爐變和總功率

15、為4200KV值流軋機，濾波裝置接入10KV母線.2.投資效果分析(1)總投資：本項目分2段實施，分別為1#變、4#變.本案列僅討論1#變，1#變諧波濾除及無功補償裝置總投資五十多萬元。(2)諧波治理及無功補償效果濾波裝置投入后，系統(tǒng)10KV側(cè)諧波電壓畸變率由10。5%降到了3<85%諧波電流畸變率也由10.20%降到了7。1%各次諧波均在國標允許值以內(nèi).系統(tǒng)功率因數(shù)也從00827提升到了0.99,濾波裝置投入后，系統(tǒng)消耗的總無功功率減少了4800Kvar.3.節(jié)電效果(1)線路頻率損后的節(jié)電設公司1#主變最大負荷全年耗電時間為3000小時(),線路電能損耗于傳輸電能比為0.03以6表示

16、.則，補償后的全年節(jié)電量：WL=SLcos小1*6*p*1-cos小1/cos小22=0.8X16000X0.827乂0.03乂3000X1(0.827/0.99)=288000(kwh)注：0.8為主變負荷率(2)補償后變壓器全年節(jié)電量：WT=Pd*(S1/S2)2*p*1-(cos小1/cos小2)2=240X(0.8X16000)/160002X3000X0.30218=140000(kwh)式中Pd為變壓器短路損耗，為240KW(3)補償投入后的全年總的節(jié)電效果：八W色WL+WT=288000+140000=428000(kwh)=428000x0。58元=24.8萬元式中：電費按00

17、58元/度，負荷1年工作時間為3000小時(4)力率電費的節(jié)約：根據(jù)浙江地區(qū)的電費計價方式，用戶全年應交納的功率因數(shù)調(diào)整電費約為：(以當?shù)毓╇娋止β室驍?shù)考核點為009計算，補償前用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.827，則功率因數(shù)罰款力率為+3。5%。)力率罰款電費=有功電費*力率=有功功率*全年工作小時*電費單價夫力率由于投入的設備具有f的節(jié)能效果，以及通過無功補償，提高了功率因數(shù)，全年節(jié)電效益明顯，僅節(jié)電一項，可使投資在6個月內(nèi)得以回收。投資效益顯著.=10500*3000*0.58*3。5%=64萬元因無功補償裝置投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)達到了功率因數(shù)考核點0.99以上，故不會再廣生功率因數(shù)罰款電費，

18、反而還會后部分電費獎勵。力率獎勵電費=有功電費*力率=有功功率*全年工作小時*電費單價*力率=10500*3000*0.58*0。75%=13.7萬元(5)合計全年節(jié)約電費：24。8+64+13.7=102.5萬元4、投資回收期投資回收期約為：54/10205=6個月設計小結(jié)及參考文獻過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)電力系統(tǒng)方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。設計主要涉及了電力系統(tǒng)的無功功率平衡問題，讓我對電力系統(tǒng)無功平衡有了更加深入的學習和了解，掌握了各種無功補償措施以及補償裝置的特點和使用場合。通過采用合適的無功補償措施，對電力系統(tǒng)進行分地區(qū)、分電壓等級地進行無功平衡，能夠有效地改善電壓質(zhì)量，使用戶處的電壓接近額定值，同時能夠提供功率因數(shù)，降低電網(wǎng)損耗，大大提高系統(tǒng)的運行效率。此次設計也讓我明白了思路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。參考文獻：1馮凱輝.風電場動態(tài)無