【正文】 析 …………………………… … ……………………………………………… .34 結(jié)束語 …………………………………………………… …………………………………………… … ...36 參考文獻(xiàn) …………………………………… ...............................................................................................37 致謝 …………………………………………………………………………… ………………………… ..38 1 第一章 引 言 無功功率在電網(wǎng)中作用 無功功率補(bǔ)償是保持電力系統(tǒng)高質(zhì)量運(yùn)行的一種重要技術(shù)手段 ，同時是電力系統(tǒng)研究面臨的重要課題，受到相關(guān) 人員越來越多的的關(guān)注。 圖 無功功率與電壓相量 2 (2) 減少電網(wǎng)中無功功率的流動可以減少因其而引起的電能損耗。 以下就以無功功率為研究出發(fā)點(diǎn)，再較為詳細(xì)介紹靜態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù) [4]，其中包括并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器，串聯(lián)電容器，串聯(lián)電抗器等等，其中串聯(lián)電抗器由于原理上的缺陷即導(dǎo)致靜態(tài)穩(wěn)定極限減小，對電網(wǎng)不利，沒有廣泛采用，而串聯(lián)電容器只是在高壓輸電系統(tǒng)中為提高穩(wěn)定性，或在中壓配電系統(tǒng)中位改善電壓質(zhì)量，有一定的適用范圍。主要包括兩大類，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償裝置 SR，另一類是晶閘管控制電抗器 TCR、晶閘管投切電容器 TSC。 無功功率不直接作為實(shí)際消耗之功，但無功功率的交換將引起發(fā)電和輸電設(shè)備上的電壓降和電能損失。當(dāng)電力線路的傳輸能力一定時，傳輸無功功率越小，則傳輸有功功率的能力越大。反之，如果無功功率不足，系統(tǒng)只能在較低質(zhì)量的電壓水平下運(yùn)行。 電力系統(tǒng)是向用戶提供電能的網(wǎng)絡(luò)，因而電能質(zhì)量是供電部門生產(chǎn)經(jīng)營活動中的一個重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。電壓超出所規(guī)定的范圍時，對用電設(shè)備將產(chǎn)生不良的后果。 無功電源的總?cè)萘恳? 4 滿足系統(tǒng) 的額定電壓下對無功功率的需求。所以，我們要保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，就必須先保證電力系統(tǒng)無功功率的平衡。 電力系統(tǒng)無功電源與無功負(fù)荷 電力系統(tǒng)的無功電源 在電力系統(tǒng) 中，無功電源主要是同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)以及同步電動機(jī)。電力系統(tǒng)中大部分無功功率需求都是由同步發(fā)電機(jī)提供的。 同步發(fā)電機(jī)供給無功功率的能力，不僅與短路比之值有關(guān)，還與同時擔(dān)負(fù)的有功負(fù)載大小有關(guān)，其最大無功功率出力將受轉(zhuǎn)子溫升的條件限制。同步調(diào)相機(jī)是一種特制的同步電動機(jī)，軸上不帶機(jī)械負(fù)載，專門用于補(bǔ)償無功功率。同步調(diào)相機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以無級調(diào)節(jié)無功功率的數(shù)值，但由于它是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有功功率損耗較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行，通常只在需要大容量的無功功率補(bǔ)償設(shè)備時才裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)。但這種電動機(jī)的價格較貴，控制設(shè)備較復(fù)雜，維護(hù)也比較麻煩。特別是經(jīng)輻射性網(wǎng)絡(luò)供電的工業(yè)負(fù)荷，如果這些負(fù)荷主要是大型感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷時，甚至可能引起負(fù)荷端的電壓連續(xù)下降，最后可能擴(kuò) 展到整個電力系統(tǒng)的電壓崩潰。變壓器是電力系統(tǒng)的又一無功功率消耗大戶。電阻和電抗為繞組縱分量 ，電導(dǎo)與電納為繞組橫分量，而消耗系統(tǒng)無功功率的參數(shù)是電抗和電納。 (3) 電力線路。電力網(wǎng)中對于一定電壓等級的電力線路，電力線路越長，電力線路參數(shù)值越大，無功功率損耗也就越大，電力線路上電壓降也就越大。 (4) 整流裝置。因此，無論工業(yè)或農(nóng)業(yè)用戶都以滯后功率因數(shù)運(yùn)行，其值約為 .～ ，其中較大的數(shù)值對應(yīng)于使用大容量同步電動機(jī)的場合。因此， 無功功率補(bǔ)償對電力系統(tǒng)有著重要意義，概括起來有： (1) 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。 (5) 減少線路損失，提高電網(wǎng)的有功傳輸能力。 (9) 避免系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞事故，提高運(yùn)行安全性。根據(jù)無功功率補(bǔ)償裝置開始使用的時間，可以分為傳統(tǒng)無功功率補(bǔ)償裝置 和現(xiàn)代無功功率補(bǔ)償裝置。傳統(tǒng)靜止無功功率補(bǔ)償裝置的最大特征是 補(bǔ)償容量不能隨負(fù)荷無功功率容量的變化而變化，因此又稱靜態(tài)靜止無功功率補(bǔ)償裝置，簡稱靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。無功功率補(bǔ)償裝置接入系統(tǒng)的方式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。 用于電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償 [10]的靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置有并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器及其組合。混合使用時，一般 是串聯(lián)電抗器在并聯(lián)電容器支路中，然后與并聯(lián)電容器一起接入系統(tǒng)，補(bǔ)償高頻無功功率，起到抑制諧波以及保護(hù)并聯(lián)電容器的作用。電容器通常由兩塊中間隔以絕緣介質(zhì)的導(dǎo)電板組成。在電路以符號“ C”來表示電容器。 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的原理 電力系統(tǒng)中的大部分負(fù)荷是電感性的，這些感性負(fù)荷要消耗大量的無功功率，例如，感應(yīng)電動機(jī)消耗的無功功率約占其總功率的 60%70%，變壓器約占其總功率的 20%25%，而空 載運(yùn)行時，變壓器的功率因數(shù)只有 左右，感應(yīng)電動機(jī)只有 左右。 首先分析一個簡單的并聯(lián)電路。通常不希望出現(xiàn)過補(bǔ)償情況，因?yàn)檫@樣會引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會增加電能的損耗，還會增加電容器自身的損耗，影響電容器的壽命。 然后，再 看負(fù)荷由電阻 R 和電感 L 組成的串聯(lián)電路。其相量圖關(guān)系如圖 (c)、 (d)所示。集中補(bǔ)償一般把補(bǔ)償裝置裝于地區(qū)變電所或高壓供電電力用戶降壓變電站的一次或二次母線上，也包括集中裝于電力用戶總配電高低壓母線上。 低壓集中補(bǔ)償是指將低壓無功功率補(bǔ)償裝置通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線 12 側(cè)，以無功功率補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制低壓無功功率補(bǔ)償裝置的投切。 高壓集中補(bǔ)償一般將并聯(lián)電容器組集中直接裝在變電所 6～ 10kV 高壓母線上。 它與用電設(shè)備共用一套斷路器，也可以獨(dú)立使用一套斷路器，通過控制、保護(hù)裝置與用電設(shè)備同時投切，所以個別補(bǔ)償也稱隨機(jī)補(bǔ)償。低壓個別補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個別大容量且連續(xù)運(yùn)行 (如大中型低壓異步電動機(jī)）的無功功率消耗 。但存在的不足是：對不經(jīng)常使用的設(shè)備，所安裝的無功功率補(bǔ)償電容器的利用率很低；大量低壓設(shè)備因沒有安裝或不適宜安裝補(bǔ)償器而引起的電能損耗得不到有效改善；因控制和執(zhí)行元件的響應(yīng)時間較慢而影響補(bǔ)償效果；自動控制的分組 補(bǔ)償往往因投切失靈，容易 損壞電氣設(shè)備。 分組補(bǔ)償方式基本集中安裝在變電器低壓側(cè)的母線或輸電線路中，減 少了電力系統(tǒng)到用戶線路上的高壓線損和變損，克服了集中固定補(bǔ)償容量較大時的涌流過大等問題，提高了用戶內(nèi)部的供電能力，并能有效的增大配電線路的供電能力，節(jié)電效果好。另外，這種補(bǔ)償方式具有與集中補(bǔ)償相同的優(yōu)點(diǎn)，但無功功率補(bǔ)償容量和范圍相對小些，效果明顯，因此采用比較普遍。 單臺異步電動機(jī)裝有個別補(bǔ)償電容器時，若電動機(jī)突然與電源斷開，電容器將對電動機(jī)放電而產(chǎn)生自勵現(xiàn)象。一般可以通過采用高壓或低壓并聯(lián)電抗器適當(dāng)配合的補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)。 并聯(lián)電抗器的數(shù)目及位置的選擇一般是按照在空載、輕載以及接通空載線路等運(yùn)行方式下保證設(shè)備得到容許電壓，以及考慮與輸電系統(tǒng)的無功功率平衡等條件來確定的。它通過向超高壓、大容量的電網(wǎng)提供可階梯調(diào)節(jié)的感性無功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)的剩余容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。由此可知 ，在超高壓和一些中低 壓電網(wǎng)中，其容性充電功率的數(shù)值相當(dāng)可觀，決不可忽視。這樣，輸電線路首端發(fā)電機(jī)就可以在較低或滯后功率因數(shù)下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)電勢可以得到提高，因而電力系統(tǒng)的功率極限也會增大，運(yùn)行功角減小，從而使靜態(tài)穩(wěn)定性得到提高。由于運(yùn)行電壓趨于正常，相應(yīng)地降低了操作過電壓和工頻暫態(tài)過電壓的幅值，因?yàn)闇p少了過電壓事故的幾率。 (5) 有利于潛供電弧的消滅和裝設(shè)單相快速自動重合閘。這里的“靜止”是專指 SVC 沒 有運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)部件。 SVC 的基本作用是連續(xù)而迅速地控制無功功率，并通過發(fā)出或吸收無功功率來控制它所連接的輸電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓。 SVC 和傳統(tǒng)的電容器及同步調(diào)相機(jī)相比，它具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行損耗和維護(hù)費(fèi)用低，并且可作為多方面應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。在輸電系統(tǒng)，控制長距離輸電線甩負(fù)荷、空載效應(yīng)等引起的過電壓；改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定抑制系統(tǒng)的無功功率及電壓振蕩；維持輸電線的電壓，提高線路輸送有功的能力，特別是由于它的快速反應(yīng)，使其能對故障引起的系統(tǒng)擾動提供較好的阻尼。需要說明的是，晶閘管投切電容器并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無功功率連續(xù)動態(tài)補(bǔ)償，其本質(zhì)還是屬于分級調(diào)節(jié)的無功功率補(bǔ)償器。 TCR 為 SVC 中的重要一員，主要起可變電感的作用，實(shí)現(xiàn)感性無功功率的快速、平滑調(diào)節(jié)。圖中兩個晶閘管分別按照單相半波交流開關(guān)運(yùn)行。當(dāng) ? 為 90o～ 180o之間時為部分導(dǎo)通，在 0o～ 90o之間的觸發(fā)角是不允許的，因?yàn)? 20 它們將產(chǎn)生含有一直流分量的不對稱電流。晶閘管投切電容器能快速跟蹤沖擊負(fù)荷的突變，隨時保持最佳饋電功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功功率補(bǔ)償，減小電壓波動，提高電能質(zhì)量，節(jié)約電能。補(bǔ)償方式可按電壓等級劃分和按應(yīng)用范圍劃分。與晶閘管可控制電抗器中利用相控方式改變電感值不同，晶閘管投切電容器采用整數(shù)半周控制，可以根據(jù)電網(wǎng)對無功功率的需求改變投入電容器的容量，使晶閘管投切電容器成為分級可調(diào)的動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。給定并聯(lián)電容器的并聯(lián)組數(shù)為 K，且沒有任何兩種電容器的組合相同時，就可確定最大級數(shù)。但由于接觸器三相觸頭不能分別進(jìn)行控制，要通則幾乎一起接通，要斷則幾乎一起斷開，無法選擇最合適相位角投入和切除電容，這樣會產(chǎn)生不同的沖擊電流。 （ 1） 電容性負(fù)載的電流超前電壓 90o ， 實(shí)際電容器組均串游電抗器組成 LC 濾波電路，LC回路的諧振頻率 LCn /1?? ， 502 ?? ?? ， n為諧波次數(shù)。由于 TSC 關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時刻的選取。以后每半周期在過零點(diǎn)處輪流觸發(fā) V V2。這種補(bǔ)償裝置了保證更好的投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。 工作狀態(tài) 如 下 圖所示 ，圖 為可控飽和電抗器的電路 原理圖： 圖 可控磁飽和電抗器電路圖 圖中 u 和 i 為工作電壓和工作電流， di 為直流控制電流。當(dāng) ??? ，晶閘管 V V2 不觸發(fā)導(dǎo)通，電抗器為空載狀態(tài)。當(dāng) ??? ??t 時， V2 觸發(fā)導(dǎo)通，進(jìn)入狀態(tài) 3，這樣可控電抗器在一個周期內(nèi)按照狀態(tài) 2→狀態(tài) 1→狀態(tài) 2→狀態(tài) 3 的次序輪流切換、工作。這樣，負(fù)載無功功率的恒定部分由電容器補(bǔ)償，而變動 部分由飽和電抗器調(diào)節(jié)，以保證電網(wǎng)輸入的無功功率 SQ = )( CLF Q ?? 保持恒定。由于具有這些缺點(diǎn)，所有飽和電抗器的 SVC 目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才使用。 仿真圖概述 仿真軟件 。 為無限大系統(tǒng) 。 設(shè)置如圖 圖 load2 模塊 定時開關(guān)模塊于 5s 時閉合設(shè) 置如圖 ， 圖 switch模塊 29 圖 ThreePhase Breaker模塊 電壓電流測量模塊 ThreePhaseVI Measurement設(shè)置如圖 圖 ThreePhaseVI Measurement模塊 30 功率因數(shù)測量模塊 measurement:如圖 圖 功率因數(shù)測量模塊 作用：通過測取 系統(tǒng) 的電壓，電流，測得負(fù)載的功率因數(shù)。 31 參數(shù)設(shè)置如下： 晶閘管 Th Th Th5 設(shè)置如圖 圖 晶閘管 Th Th Th5 晶閘管 Th Th Th6 設(shè)置如圖 圖 晶閘管 Th Th Th6 32 電感均為 ，電阻均為 100Ohms 設(shè)置如圖 圖 RL 支路 晶閘管觸發(fā)電路 tigger： 以 A 相為例， 如圖 ， 4. 14， 圖 晶閘管觸發(fā) 電路 圖 PI 模塊 33 圖 三角波模塊 原理： 三角波的周期為 10ms由于 A、 B、 C三相電壓相差 120176。 當(dāng) PI輸出 小 于三角波的值時，比較模塊輸出為 假 ,即輸出 低 電平，晶閘管 不 導(dǎo)通；當(dāng) PI輸出 大 于三角波的值時，比較模塊輸出為 真 ，即輸出 高 電平 ，晶閘管 導(dǎo)通 。 仿真工作概況：負(fù)載 load1 為純阻性一開始就接入系統(tǒng)， 5 s 開關(guān) switch 閉合，將純感性性負(fù)載 load2 接入系統(tǒng)，系統(tǒng)功率因數(shù)降低。,39。,39。 （ 2） 520s， 5s 開關(guān) switch 閉合， load2 接入系統(tǒng)， QL=100kvar， 系統(tǒng) 無功 功率 劇烈 增加，功率 因數(shù) 大 幅 降低， 降至 左右 ， TCR 開始工作， Φ 角增大， 通過對 Φ 角進(jìn)行PI 控制使輸出值與三角波比較構(gòu)成階躍觸發(fā)信號 ，使并聯(lián)晶閘管輪流導(dǎo)通，進(jìn)行無功補(bǔ)償， 后系統(tǒng)的功率因數(shù)隨無功補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)持續(xù)提高，在 18s 左右系統(tǒng)的功率因數(shù)趨于穩(wěn)定約為 1， PI 模塊輸出值約為 將 保持高電平維持無功補(bǔ)償裝置工作， 將系統(tǒng)功率因數(shù)提高到 以上 接近于 1。 同時本文還指出 電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償方式 就 安裝的位置而言，顯然無功就地補(bǔ)償最好，這樣無功負(fù)荷需要的無功功率就及時得到補(bǔ)償，但由于負(fù)荷比較分散，數(shù)量也比較多，這就要求無功補(bǔ)償裝置體積小、成本低、操作方便、易于維護(hù)和安裝，且須能進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，即隨著負(fù)荷對無功功率的要求而發(fā)出負(fù)荷需要的無功功率。 TCR 可以通過改變觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)無功功率的快速、平滑調(diào)節(jié)； TSC雖然不能連續(xù)調(diào) 節(jié)無功功率，但具有損耗小，運(yùn)行時不產(chǎn)生諧波的優(yōu)