【正文】 率損耗稱為勵磁損耗，消耗容性無功功率，它與空載電流有關(guān)，變動范圍很小，對于給定的變壓器，勵磁損耗是固定不變的。因此，在從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓的情形，其無功功率消耗的數(shù)值時(shí)相當(dāng)可觀的。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動機(jī)的無功功率消耗占了60%～ 70%；而在異步電動機(jī)空載時(shí)所消耗的無功功率又占到電動機(jī)總無功功率消耗的60%～ 70%。 異步電動機(jī)在電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷重占的比重非常大，是電力系統(tǒng)的無功功率消耗大戶。同步電動機(jī)時(shí)一種除可將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能外，還能調(diào)節(jié)其勵磁電流產(chǎn)生無功功率的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因而也是一種無功電源補(bǔ)償裝置。 裝有自 動勵磁裝置的同步調(diào)相機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率。但必要時(shí)，也可以減小勵磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂“進(jìn)相運(yùn)行”，以吸收系統(tǒng)多余的無功功率。即當(dāng)同步發(fā)電機(jī)在低功率因數(shù)情況下，可以發(fā)出無功功率。 同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無功電源裝置。當(dāng)有功功率和無功功率通過網(wǎng)絡(luò)電阻時(shí)，會造成有功功率損耗。 當(dāng)電力網(wǎng)有能力向負(fù)荷供給足夠的無功功率時(shí)，負(fù)荷的電壓就能維持在正常的水平上。電力部門 為了確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能夠提供優(yōu)質(zhì)的電壓，確保優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，必須確保各輸配電線路的母線電壓穩(wěn)定在允許的偏差范圍之內(nèi)。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中使用的各種用電設(shè)備都是按照額定電壓來設(shè)計(jì)制造的。當(dāng)無功功率損耗較大時(shí)，將引起系統(tǒng)電壓大幅度下降，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。電力系統(tǒng)中無 功功率平衡水平對電壓水平有較大影響。輸送無功功率時(shí)需要消耗有功功率。可使補(bǔ)償時(shí)無損，快速，平滑的優(yōu)點(diǎn)，從而成為了無功補(bǔ)償?shù)闹髁?。因此本文僅介紹了并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。 (3) 無功功率可以提高功率因數(shù) [3]，不僅有上述節(jié)能的作用，還可避免增大設(shè)備的容量。 無功功率的主要作用體現(xiàn)在： (1) 由于電壓時(shí)衡量供電質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，無功功率平衡可以穩(wěn)定電網(wǎng)的電壓，防止因無功不足引起的電網(wǎng)電壓波動。 用 Matlab 對 TCR 型無功補(bǔ)償進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 題目： 電力系統(tǒng)靜態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 教學(xué)單位 電氣信息工程學(xué)院 姓 名 薛寶星 學(xué) 號 20xx31001136 年 級 20xx 級 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師 邵仕泉 職 稱 副教授 20xx 年 3 月 20日 Ⅰ 摘 要 文章介紹了電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償?shù)?原理與應(yīng)用 ， 其中 重點(diǎn)介紹了目 前在電力系統(tǒng)中廣泛采用的各種 靜態(tài) 無功功率補(bǔ)償裝置的原理及功能 。 對電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。 無功功率與電壓的關(guān)系 [2]可以有如下解釋：如 圖 所示 圖 無功功率與電壓的關(guān)系 在環(huán)網(wǎng)中串入一附加電勢 ?E ，以 ?z 表示環(huán)網(wǎng)各線路阻抗和， Ex 表示縱向 附加電勢，相位與電壓一致， yE 表示橫向附加電勢，其相位與電壓差 ?90 NxNyNyxNyxNyxNfcfcfcUXEjUXERXUXRREXEjUXRXEREUjXREjEzUEjQPS??????????????????????????遠(yuǎn)大于由于＊＊＊＊～2222)( 由上式及圖 的相量圖可見，改變無功功率主要是改變電壓的大小。 無功功率還有很多作用，如保持電網(wǎng)的穩(wěn)定問題等等，鑒于此很有必要對無功功率補(bǔ)償進(jìn)一步的探索。 至于動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù) [5]，作為較為先進(jìn)的補(bǔ)償手段目前它們 在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。 3 無功功率對電力系統(tǒng)的影響 電力系統(tǒng)中的無功功率主要用于電路內(nèi)電場和磁場，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場，完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，不對外做功，為系統(tǒng)提供電壓支撐，在電源和負(fù)荷之間提供電壓降落所需的勢能。當(dāng)有功功率一定時(shí)，無功功率越大，則網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗就越大。如果發(fā)電機(jī)有足夠的無功功率備用，系統(tǒng)的無功電源比較充足，就能滿足較高電壓質(zhì)量下無功功率平衡的需要，系統(tǒng)就有較高質(zhì)量的運(yùn)行電壓水平。 (2) 無功功率對電壓質(zhì)量的影響。這些設(shè)備在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，才能取得最佳的運(yùn)行狀態(tài)。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)有充足的無功電源。如果無功電源容量不足，負(fù)荷的端電壓就會降低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已定，輸送有功功率一定時(shí)，總的功率損耗完全決定于無功功率 的大小。從系統(tǒng)觀點(diǎn)來看，它的容量最大，調(diào)節(jié)也最方便。但是，發(fā)電機(jī)應(yīng)嚴(yán)格地按照有功功率 — 無功功率 (PQ)極限曲線運(yùn)行，不得越出曲線范圍。 (2) 同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的空隙比一般同步電動機(jī)小很多，軸的結(jié)構(gòu)較簡單，強(qiáng)度要求也比 5 較低。同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①可在 功率因數(shù)超前的方式下運(yùn)行，輸出無功功率；②當(dāng)電網(wǎng)頻率不變時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，且轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況無功；③如果采用強(qiáng)行勵磁，可提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以系統(tǒng)中無功負(fù)荷的電壓特性主要是由異步電動機(jī)來確定的。 (2) 變壓器。 無論是雙繞組 還是三繞組變壓器，繞組均有兩組參數(shù)。所以變壓器無功功率損耗的變化大小主要由負(fù)荷的變化來決定。無 6 功功率損耗是由電力線路的電抗和電納造成的。當(dāng)電力線路的傳輸功率較大時(shí)，電力線路中電抗消耗的無功功率將大 于電納中產(chǎn)生的無功功率 ，則電力線路為無功負(fù)荷，消耗無功功率；當(dāng)電力線路的傳輸功率較小時(shí)，電力線路中電納產(chǎn)生的無功功率，除了抵消電抗中的無功功率損耗以外，還有剩余，電力線路為無功電源，發(fā)出無功功率。各種用電設(shè)備中，除相對很小的白熾燈照明負(fù)載只消耗有功功率外，大多數(shù)都要消耗無功 功率。如果這些所需要的無功功率由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長距離輸送，顯然是不合理的，通常也是不可能的，如果這些所需要的無功功率不能及時(shí)得到補(bǔ)償，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及用電設(shè)備的安全就會受到影響。 (4) 提高發(fā)電機(jī)有功輸出能力。 (8) 高水平平衡三相的有功功率和無功功率。 根據(jù)無功功率補(bǔ)償裝置是否擁有運(yùn)動部件分類，分為運(yùn)動無功功率補(bǔ)償和靜止無功功率補(bǔ)償裝置。運(yùn)動無功功率補(bǔ)償裝置主要有 電力電容器、電力電抗器、靜止無功功率補(bǔ)償器、靜止無功功率發(fā)生器、統(tǒng)一長流控制器、有源電力濾波器，其中電力電容器和電力電抗器為傳統(tǒng)靜止無功功率補(bǔ)償裝置，其他靜止無功功率補(bǔ)償裝置屬于現(xiàn)代靜止無功功率補(bǔ)償裝置。 8 第 二 章 靜態(tài)無功 功率 補(bǔ)償 靜態(tài)無功補(bǔ)償指阻抗固定，其補(bǔ)償容量不能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷無功功率的變化，主要是用于提供固定無功功率補(bǔ)償容量的一種無功功率補(bǔ)償方式。 操作方便、對系統(tǒng)可靠性影響小而廣泛使用，串聯(lián)補(bǔ)償方式因 為接線復(fù)雜、操作部方便、對系統(tǒng)可靠性影響大而使使用范圍受到限制，一般在并聯(lián)補(bǔ)償方式不能滿足技術(shù)要求的情況下才使用。單獨(dú)使用時(shí)，串聯(lián)電容器用于補(bǔ)償線路等效感抗、降低線路感性無功功率流動和提高受電端的電壓，串聯(lián)電抗器用于限制系統(tǒng)短路電流、補(bǔ)償線路等效容抗和降低線路容性無功功率流動。電容器就是儲藏電荷的容器。不過通常對于具體的電容器來說，一般以絕緣介質(zhì)的名稱來命名電容器，如空氣電容器，云母電容器、紙質(zhì)電容器、薄膜電容器 等。并聯(lián)電容器的一個(gè)缺點(diǎn) 是其無功功率輸出與電壓平方成正比，結(jié)果是在低壓時(shí)無功功率輸出減小，而這時(shí)的系統(tǒng)卻需要更多無功功率；并聯(lián)電容器的另一個(gè)缺點(diǎn)是電容器提供的無功功率在電壓穩(wěn)定時(shí)是不變的，不能隨系統(tǒng)無功功率的需求的改變而改變，是一種靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置，適用于無功功率需求穩(wěn)定的場所，但即使這樣，也容易造成欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償。因此，一般需要增設(shè)無功功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)電源的功率因數(shù)。； ? 2— 補(bǔ)償 后 電壓 ?U 與電流 ?I 的相位差 10 在 (a)圖所示電路中 ，電流方程為 ?I =?I C+?I RL=?I C+?I R+?I L (21) 電容提供的無功功率為 Q=UIC=2? fCU2 (22) 由 (21)式可知，當(dāng)并聯(lián)電容器不投入時(shí)， ?I C=0，即不對符合進(jìn)行無功功率補(bǔ)償， 那么電源即要向負(fù)荷提供有功電流 ?I R，還要提供無功電流 ?I L，電源向負(fù)荷提供的總電流?I =?I RL=?I R+?I L；當(dāng)并聯(lián)電容器投入時(shí)， ?I C? 0，即對負(fù)荷進(jìn)行無功功 率補(bǔ)償，那么電源在向負(fù)荷 提供 有功電流 ?I R 的同時(shí)，提供 無功電流 ?I L+ ?I C，電源向負(fù)荷提供的總電流?I =?I R+?I L+?I C，特別是當(dāng) ?I L= ?I C, ?I L+?I C=0，電源不需要向負(fù)荷提供無功電流，功率因數(shù)等于 1， 一般情況下 ?I L? ?I C， 這時(shí)可能的情況有兩種：當(dāng)并聯(lián)電容器的電容 C 較小， |?I C|＜ |?I L|時(shí)，負(fù)荷中的感性無功電流沒有被完全補(bǔ)償，這時(shí)電源的 ?I 滯后 ?U ，如圖 (c)所示，這種補(bǔ)償稱為欠補(bǔ)償；當(dāng)并聯(lián)電容器的電容 C 較大 ，會出現(xiàn) |?I C|＞ |?I L|的情況，這時(shí)負(fù)荷中的感性無功電流被完 全補(bǔ)償滯后還有剩余容性電流，電源的 ?I 超前 ?U ，如圖 (d)所示，這種補(bǔ)償稱為過補(bǔ)償。此外，在系統(tǒng)中有諧波時(shí)，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，并使諧波放大，可能會使電容器損壞。顯然，當(dāng) XC＜ XL 時(shí)，欠補(bǔ)償；當(dāng) XC＞ XL 時(shí)，過補(bǔ)償。 (1) 集中補(bǔ)償 集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器接在匯 流母線上，根據(jù)母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。 集中補(bǔ)償分為低壓集中補(bǔ)償和高壓集中補(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功功率就地平衡，從而提高配電變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功功率補(bǔ)償中常用的手段之一。 (2) 個(gè)別補(bǔ)償 個(gè)別補(bǔ)償又稱為“就地補(bǔ)償”，它就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對無功功率的需要量將單臺或多臺電容器組分散地與用電設(shè)備并接。 個(gè)別補(bǔ)償分為低壓個(gè)別補(bǔ)償和高壓個(gè)別補(bǔ)償。 低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)償效益大，不僅能減少高壓線路中的無功功率，同時(shí)也減少了低壓線路中的無功功率，減少電氣設(shè)備的容量和導(dǎo)線的截面，降低電能的損耗。 分組補(bǔ)償常見的安裝方式有：①高壓補(bǔ)償裝置分組安裝于城鄉(xiāng)電網(wǎng) 6kV 配電線路的桿架上；②低壓補(bǔ)償裝置安裝于公用配電變器的低壓側(cè)或電力用戶各車間的配電母線上。在投、切不及時(shí)或投、切容量不合適時(shí)，也易造成過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償現(xiàn)象。 1. 電容器為星形接線時(shí) QC = 3 UIC103= 3CU?1 3103= 2CU? 103 (211) 式中 U — 裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓， V IC — 電容組的線電流， A ； C— 電容組電容， F? 考慮到電網(wǎng)線電壓的單位常用 kV， QC 的單位為 kvar，則星形連接時(shí)每相電容器組的容量為 CY=C=2310UQC? ?? (212) 2. 電容器為三角形連接時(shí) QC = 3 UIC103=3UCU?1103=3 2CU? 103 (213) 每相電容器 的容量為 : C△ =233 10UQC? ?? (214) (2)就地補(bǔ)償電容器容量 QC(kvar)的 確定。在超高壓電網(wǎng)中，線路空載或輕載時(shí)大量充電功率過剩，采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償是必不可少的。 在過去相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)我國一些電網(wǎng)低谷時(shí)電壓過高，如果采用發(fā) 電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行和切除并聯(lián)電容器等措施效果不大或者這些措施難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，多考慮裝設(shè)可投切并聯(lián)電抗器，并且依然是目前補(bǔ)償容性無功功率 (吸收感性無功功率 )的主導(dǎo)裝置。 并聯(lián)電抗器在電力系 統(tǒng)中的作用 并聯(lián)電抗器 無功功率補(bǔ)償裝置常用于補(bǔ)償系統(tǒng)電容 [13]。 由于超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路，其輸電線路對地以及相與相之間的電容特別大，輸電線路電容會產(chǎn)生大量的無功功率，各級電壓輸電線路的容性充電功率數(shù)值如 下 表所示。 16 表 21 各級電壓輸電線路的充電功率的數(shù)值 電壓等級 (kV) 導(dǎo)線截面 分裂導(dǎo)線數(shù) 充電功率 (Mvar/100km) 110 95～ 400 單導(dǎo)線 ～ 220 240～ 700 單導(dǎo)線 雙分裂 ～ ～ 19 330 240～ 700 雙分裂 ～ 41 500 300～ 700 三分裂 95～ 105 750 400～ 400 四分裂 215～ 240 為了 改善上述情況，在一定的運(yùn)行工況下，在超高壓輸電線路受端裝設(shè)并聯(lián)電抗器以吸收輸電線路電容所產(chǎn)生的無功功率，稱為并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。 (2) 改善了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。 (4) 有利于消除同步發(fā)電機(jī)帶空載長線路時(shí)