【文章內容簡介】 流電容耦合，就構成了統(tǒng)一潮流控制器 UPFC， SVG與SSSC既可配合使用也可解耦獨立運行 Ⅲ 。由于 SVC， STATCOM只能控制無功功率以調節(jié)系統(tǒng)電壓，如果系統(tǒng)某一局部同時有多種要求，就需要在該處設置幾種裝置。這增大了安裝、調試的工作量，同時設備的投資也相當可觀。 UPFC的基本思想正是用一種統(tǒng)一的電力電子控制裝置，僅通過控制規(guī)律的變化，就能對線路電壓、阻抗、相位等電力系統(tǒng)基本參數(shù)同時進行控制，從而能分別 或同時實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償、移相等幾種不同的功能，與其它無功補償裝置相比， UPFC控制范圍較大，控制方式更為靈活。 （ 4）可轉換靜止補償器（ CSC） CSC被認為是最新一代的無功補償裝置，目前僅在美國 Marcy變電站中安裝了此裝置。其中作為 SVG運行的兩臺 100Mvar并聯(lián)部分己于 2020年分別在兩條線路上安裝完畢，兩臺作為 SSSC運行的串聯(lián)部分目前尚未安裝完畢。由于無功補償技術及其控制器發(fā)展迅猛，一些新的裝置不斷被開發(fā)出來，使得無功補償控制器中的新舊裝置出現(xiàn)并存發(fā)展的局面，無功補償控制器中的無功補償裝置 SVC， SvG， UPFC及 CSC目前也處于這樣一種發(fā)展情況。作為較早出現(xiàn)的無功補償裝置 SvC，由于采用的是傳統(tǒng)的半控型器件 SCR成本低，且技術成熟，因此是目前越來越多使用的無功補償裝置。目前對 SVC的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神經網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等智能控制手段被引入 SVC控制系統(tǒng)，使 SVC系統(tǒng)的性能更加提高。 而 SVG， UPFC及 CSC目前的應用僅局限于個別工程，尚無法大規(guī)模應用，一方面是由于這些無功補償裝置需大量借助于全控器件，而全控器件目前價格非常昂貴，使得目前該類無功補償裝置的工程造價比 SVC高；另一方面，此類無功補償裝置的技術還不完善，有許多技術問題尚待解決。但大功率電力電子器件技術本身發(fā)展迅速，未來的功率器件開關容量會逐步增大，價格則相應下降，此類以 GTO等新型全控器件為核心的無功補償裝置的造價會逐步降低。國際大電網(wǎng)會議曾展開有關 SVC與 SVG的性價比的討論，不少專家認為，由于 SVG不需采用大量的電容器就可以實現(xiàn)無功的快速調節(jié)，而電容器的價格多年來比較穩(wěn)定，不可能大幅度下降；相反，電力電子器件的價格會不斷下降，故預計 SVG會比 SVC更有競爭力，由此可見，隨著造價的降低和技術的完善，在不遠 的將來 SVG， UPFC及 CSC將成為無功補償技術的發(fā)展方向。 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 5 第 2 章 無功補償基本原理 需要進行無功補償?shù)脑? 在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。無功功率比較抽象，它是電路內電場與磁場的交換，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。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。 在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影 響用電設備的正常運行。但是從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。 將電容器與電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能力時，電容器正好釋放能量。而電感放出能量時，電容器卻在吸收能量。能量就這樣在它們之間交 換。即感性負荷所吸收的無功功率可由電容器所輸出的無功功率中得到補償。因此，把由電容器組成的裝置稱作為無功補償裝置。此外，同步發(fā)電機、調相機等也可作為無功補償裝置。 電力網(wǎng)絡功率理論 電力網(wǎng)除了要負擔用電負荷的有功功率 P，還要承擔負荷的無功功率 Q。有功功率 P與無功功率 Q，還有視在功率 S 之間存在功率三角形關系，如圖 21 所示 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 圖 21功率三角形 公 式如下： ?? c o sc o s UIsP ??? (21) ?? s ins in UIsQ ??? (22) UIS? (23) 其中 U為電壓有效值， I為電流有效值。 cosφ被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)，其物理意義是供給線路的有功功率 P 占線路視在功率 s 的百分數(shù)。在電力網(wǎng)運行中，我們希望的是功率因數(shù)越大越好，如果能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，可以減少無功功率的消耗。 （ 1）自然功率因數(shù) 自然功率因數(shù)是指供用電設備在沒有采取任何補償手段的情況下，設備本身固有的功率因數(shù)，稱自然功率因數(shù) ，也就是說在投入無功補償裝置前設備本身有功功率與視在功率的比值。沒各自然功率因數(shù)的高低取決于負荷性質和負荷狀態(tài)。對于電阻性負荷，其功率因數(shù)較高，而對于電感性負荷，其功率因數(shù)就較低。另外在設備負荷很低的時候，其自然功率因數(shù)也就低。 （ 2）經濟功率因數(shù) 經濟功率因數(shù)是指客戶的節(jié)能效益和電能質量最佳，支付電費最少的功率因數(shù)。用戶安裝一定容量的無功補償裝置可提高用戶的功率因數(shù)，就減少了無功功率和有功功率損失，用戶功率因數(shù)提高到何值最為經濟，應綜合考慮兩個方面：一是為了保證系統(tǒng)正常的運行電壓水平，無功電源和無功負荷必 須保持平穩(wěn)并留有一定的余量；二是按運行費用最小的原則決定用戶的經濟功率因數(shù)。 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 7 無功補償?shù)淖饔? 無功補償?shù)闹饕饔檬菫榱颂岣吖β室驍?shù)，在用戶端采用無功補償裝置，達到我國電力設備的有關規(guī)定，即在電力用戶變壓器的高壓側功率因數(shù)不低于 ，低壓側功率因數(shù)不低于 ，目前國內低壓無功補償裝置一般都是在用戶端并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器可提供超前的無功功率以補償感性負荷，多裝于降壓變電所，還可就地補償。補償前后的功率三角形如圖 22所示，功率因數(shù)角由 φ1降到 φ2。從功率三角形可得所需補償?shù)臒o功容量為： )( 21 ?? tgtgPQ C ?? (24) 補償前后的功率三角形如圖 22 所示 。 圖 22 補償前后功率三角形 目前大多數(shù)補償裝置采用并聯(lián)電力電容器方法，但電容一旦投入后，它不隨感性負載的變化而變化，因為當負載發(fā)生變化時，電網(wǎng)上可能出現(xiàn)超前的或滯后的無功，即所謂過補償和欠補償問題。 電網(wǎng)無功補償?shù)娜N情況 （ 1）無功功率滯后 欠補償由于補償?shù)碾?容量 C 不足，使 k 較小，系統(tǒng)中的容性電流不足以補償感性電路中電流的無功分量，使負載仍得向電網(wǎng)索取一定數(shù)量的無功功率，未達到補償要求。 （ 2）無功功率超前 過補償由于投入的電容器容量 C 較大，使 Ic 較大，系統(tǒng)中容性電流大于感性負載中的無功分量，這時從無功電表上看要倒轉，整個負載成容性，這時要向電網(wǎng)倒送無功功率。另外，從經濟的角度看，電容器的容量越大，成本也越大。 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 8 （ 3）全補償 要做到全補償一般比較困難，另外如實現(xiàn)全補償?shù)脑?，將會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，就會出現(xiàn)諧波放大，損壞電器設備?？傊诟行载撦d端并入適當大小的電容器進 行補償，必須從經濟、節(jié)能的角度綜合考慮，確定最優(yōu)補償容量和補償容量的最優(yōu)分布。 電網(wǎng)無功補償效益 在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數(shù)在 ～ 。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無功功率約占消耗有功功率的 60%～ 90%,如果把功率因數(shù)提高到 ，則無功消耗只占有功消耗的 30%左右。由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，會給用電企業(yè)帶來效益。 （ 1） 節(jié)省企業(yè)電費開支。提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經濟效益是明顯 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)定了要求達到的不同數(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?？梢?，提高功率因數(shù)對企業(yè)有著重要的經濟意義。 （ 2）提高設備的利用率。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過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網(wǎng)絡已趨于過載，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)來說則能降低設備容量，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。因此，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基本電費。 （ 3） 降低系統(tǒng)的能耗。補償前后線路傳送的有功功率不變， P= UICOSφ，由于 COSφ提高，補償后的電壓 U2稍大于補償前電壓 U1,當功率因數(shù)從 ～ ，有功損耗將可以降低 20%～ 45%。 （ 4） 改善電壓質量。無功補償能改善電壓質量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過 3%）。對于無功補償應用的主要目的是 改善功率因數(shù)，減少線損，穩(wěn)定電壓。 （ 5） 三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量。 并聯(lián)電容器的投切方式 等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路的接線如圖 23 所示，圖中 J 為交流接觸器的觸點。其運行操作順序說明如下：當投入電容器時，先由微電腦控制器發(fā)出信號給晶閘管開關電路，使之在等電壓時投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號給接觸器 J，電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 9 使其觸點也閉合，將晶閘管開關電路短路，由于接觸器 J 閉合后的接觸電阻遠小于開關電路導通時的電阻，達到了節(jié)能和延長開關電路 使用壽命的目的。當需要切除電容器時控制器先發(fā)信號給接觸器，使接觸器觸點 J 斷開，此時開關電路處于導通狀態(tài)，并由開關電路在電流過零時，將電容器切除。本方案的優(yōu)點是：運行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關電路和接觸器的使用壽命長。 圖 23 等電壓投零電路切電路 并聯(lián)電容器的三種接線方式 （ 1） 三相共補接線方式 這種接線方式是傳統(tǒng)低壓補償所采取的方式，據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，三相投入相同的補償量，此種接線方式適用于三相負載較為平衡且各相功率因素相近的網(wǎng)絡，其接線圖如圖24 所示。 圖 24 并聯(lián)電容器 Δ 接三相共補接線 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 10 （ 2）三相分補接線 三相分補接線就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補償容量，這種接線方式適用于各相負載相差較大且功率因數(shù)的值也相差較大的場合。與三相公布的不同是它采用的是Y 型接法，器接線圖如圖 25 所示。 圖 25 并聯(lián)電容器 Y 接三相分別接線 （ 3）三相共補與分補結合的接線方法 為了能夠更加合理節(jié)能，我們也可以采用三相共補與三相分補相結合的方式即 ΔY 接線。這種接線方式運行方式靈活，且能夠節(jié)約投資成本。其接線圖如圖 26 所示。 圖 26 三相共補與分補結合 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 11 電 網(wǎng)無功補償中諧波的抑制 諧波的產生及其危害 電力電子技術的應用推動了近代電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染問題。高次諧波已成為電力系統(tǒng)的一大 “公害 ”，必須采取有效的措施來加以抑制。 隨著電力電子器件及微電子技術的迅速發(fā)展，大量的非線性用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業(yè)領域，如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設備等接入電力網(wǎng)，是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴重，降低了系統(tǒng)的電能質量。 諧波是由諧波電流產生的，當正弦電壓施加在非線性負荷上時，電流變?yōu)榉钦也?，由于?荷與電網(wǎng)相連，非正弦電流就會注入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上產生壓降形成非正弦波，使電壓或電流畸變，所以非線性負荷就是電網(wǎng)的諧波源。 諧波為電網(wǎng)的公害，因為諧波電流的存在不單會引起電壓波形的畸變而且還會對電網(wǎng)和電氣設備產生多方面的危害，因此在配電網(wǎng)中對諧波進行抑制是必須的。 大量諧波電流流入電網(wǎng)后，由電網(wǎng)阻抗產生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質量變差。當注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時，會對電網(wǎng)自身及用電設備的正常運行造成損害：在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出 ，這不但使接入該電網(wǎng)的設備無法正常工作，甚至