【正文】 析 …………………………… … ……………………………………………… .34 結(jié)束語 …………………………………………………… …………………………………………… … ...36 參考文獻 …………………………………… ...............................................................................................37 致謝 …………………………………………………………………………… ………………………… ..38 1 第一章 引 言 無功功率在電網(wǎng)中作用 無功功率補償是保持電力系統(tǒng)高質(zhì)量運行的一種重要技術(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，再較為詳細介紹靜態(tài)無功補償技術(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)濟技術(shù)指標。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、同步調(diào)相機以及同步電動機。電力系統(tǒng)中大部分無功功率需求都是由同步發(fā)電機提供的。 同步發(fā)電機供給無功功率的能力，不僅與短路比之值有關(guān)，還與同時擔負的有功負載大小有關(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)相機是一種特制的同步電動機，軸上不帶機械負載，專門用于補償無功功率。同步調(diào)相機的主要優(yōu)點是可以無級調(diào)節(jié)無功功率的數(shù)值，但由于它是一種旋轉(zhuǎn)機械，有功功率損耗較大，運行維護復雜，響應速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運行，通常只在需要大容量的無功功率補償設(shè)備時才裝設(shè)同步調(diào)相機。但這種電動機的價格較貴，控制設(shè)備較復雜，維護也比較麻煩。特別是經(jīng)輻射性網(wǎng)絡(luò)供電的工業(yè)負荷，如果這些負荷主要是大型感應電動機負荷時，甚至可能引起負荷端的電壓連續(xù)下降，最后可能擴 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)運行，其值約為 .～ ，其中較大的數(shù)值對應于使用大容量同步電動機的場合。因此， 無功功率補償對電力系統(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，提高運行安全性。根據(jù)無功功率補償裝置開始使用的時間，可以分為傳統(tǒng)無功功率補償裝置 和現(xiàn)代無功功率補償裝置。傳統(tǒng)靜止無功功率補償裝置的最大特征是 補償容量不能隨負荷無功功率容量的變化而變化，因此又稱靜態(tài)靜止無功功率補償裝置，簡稱靜態(tài)無功功率補償裝置。無功功率補償裝置接入系統(tǒng)的方式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。 用于電力系統(tǒng)無功功率補償 [10]的靜態(tài)無功功率補償裝置有并聯(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?；旌鲜褂脮r，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)，補償高頻無功功率，起到抑制諧波以及保護并聯(lián)電容器的作用。電容器通常由兩塊中間隔以絕緣介質(zhì)的導電板組成。在電路以符號“ C”來表示電容器。 并聯(lián)電容器補償無功功率的原理 電力系統(tǒng)中的大部分負荷是電感性的，這些感性負荷要消耗大量的無功功率，例如，感應電動機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 載運行時，變壓器的功率因數(shù)只有 左右，感應電動機只有 左右。 首先分析一個簡單的并聯(lián)電路。通常不希望出現(xiàn)過補償情況，因為這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。集中補償一般把補償裝置裝于地區(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。 低壓集中補償是指將低壓無功功率補償裝置通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線 12 側(cè)，以無功功率補償投切裝置作為控制保護裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負荷而直接控制低壓無功功率補償裝置的投切。 高壓集中補償一般將并聯(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，也可以獨立使用一套斷路器，通過控制、保護裝置與用電設(shè)備同時投切，所以個別補償也稱隨機補償。低壓個別補償適用于補償個別大容量且連續(xù)運行 (如大中型低壓異步電動機）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)行元件的響應時間較慢而影響補償效果；自動控制的分組 補償往往因投切失靈，容易 損壞電氣設(shè)備。 分組補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，這種補償方式具有與集中補償相同的優(yōu)點，但無功功率補償容量和范圍相對小些，效果明顯，因此采用比較普遍。 單臺異步電動機裝有個別補償電容器時，若電動機突然與電源斷開，電容器將對電動機放電而產(chǎn)生自勵現(xiàn)象。一般可以通過采用高壓或低壓并聯(lián)電抗器適當配合的補償方式來實現(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)值相當可觀，決不可忽視。這樣，輸電線路首端發(fā)電機就可以在較低或滯后功率因數(shù)下運行，發(fā)電機電勢可以得到提高，因而電力系統(tǒng)的功率極限也會增大，運行功角減小，從而使靜態(tài)穩(wěn)定性得到提高。由于運行電壓趨于正常，相應地降低了操作過電壓和工頻暫態(tài)過電壓的幅值，因為減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)點電壓。 SVC 和傳統(tǒng)的電容器及同步調(diào)相機相比，它具有響應速度快、調(diào)節(jié)性能好、運行損耗和維護費用低，并且可作為多方面應用等優(yōu)點。在輸電系統(tǒng)，控制長距離輸電線甩負荷、空載效應等引起的過電壓；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，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現(xiàn)真正意義上的無功功率連續(xù)動態(tài)補償，其本質(zhì)還是屬于分級調(diào)節(jié)的無功功率補償器。 TCR 為 SVC 中的重要一員，主要起可變電感的作用，實現(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)運行。當 ? 為 90o～ 180o之間時為部分導通，在 0o～ 90o之間的觸發(fā)角是不允許的，因為 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荷的突變，隨時保持最佳饋電功率因數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)無功功率補償，減小電壓波動，提高電能質(zhì)量，節(jié)約電能。補償方式可按電壓等級劃分和按應用范圍劃分。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） 電容性負載的電流超前電壓 90o ， 實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處輪流觸發(fā) V V2。這種補償裝置了保證更好的投切電容器，必須對電容器預先充電，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 ??? ，晶閘管 V V2 不觸發(fā)導通，電抗器為空載狀態(tài)。當 ??? ??t 時， V2 觸發(fā)導通，進入狀態(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，負載無功功率的恒定部分由電容器補償，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，所有飽和電抗器的 SVC 目前應用的比較少，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 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 導通；當 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 導通 。 仿真工作概況：負載 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)晶閘管輪流導通，進行無功補償， 后系統(tǒng)的功率因數(shù)隨無功補償裝置的調(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)中無功補償方式 就 安裝的位置而言，顯然無功就地補償最好，這樣無功負荷需要的無功功率就及時得到補償，但由于負荷比較分散，數(shù)量也比較多，這就要求無功補償裝置體積小、成本低、操作方便、易于維護和安裝，且須能進行動態(tài)補償，即隨著負荷對無功功率的要求而發(fā)出負荷需要的無功功率。 TCR 可以通過改變觸發(fā)角，實現(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，運行時不產(chǎn)生諧波的優(yōu)