（农业电气化与自动化专业论文）低压动态无功补偿装置的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。由于无功功率在电网中 传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，因此大量的无功功率在电网中传输必然使电 能利用率大大降低且严重影响供电质量。在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满 足电网无功需求的必要手段。 本文研究一种适合于低压配电网进行集中无功补偿的晶闸管投切电容器装置 ( t h y r i s t o rs w i t c hc a p i t o r t s c ) 。在介绍了装景的无功补偿原理及接线方式的基础 上，主要研究电容器的投切开关及装置的投切判据。本研究中的投切开关采用过零型固 态继电器s s r ( s o l i ds t a t er e l a y ) ，s s r 内部的过零检测电路能够保证其内部的的双向晶 闸管在两端电压过零时触发，避免了由于电容器残压过高而造成的巨大冲击电流，从而 在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程投切，且简单可靠。同时，在控制策略上将几 种投切判据进行了比较，本文采用电压无功复合投切判据，以无功功率作为主判据，电 压作为辅助判据有效地克服了以功率因数作为投切判据的控制方式中的轻载时容易产 生投切振荡而重载时容易出现补偿不充分的缺点：与仅以无功功率作为投切判据的控制 方式相比本文所采用的投切判据同时兼顾了降低功率损耗与改善电压质量。 控制系统采用价格比较便宜的a t 8 9 c 5 2 单片机 # 为控制系统主体。装置能够实现 无功功率的快速、准确补偿且成本较低。在低压城网和农网中具有较好的实用性以及广 阔的应用前景。 关键词无功补偿；过零型固态继电器：单片机 v s t u d i e so nt h e l 0 卜v o l t a g ed y n a m i cr e a c t i v ep 0 但r c o m 【p e n s a t i o nd e v i c e a b s t r a c t d u et oi n c r e a s i n g1 0 a d so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d e m a n do nr e a c t i v ep o w e rw a sa l s o i n c r e a s i n g b e c a u s et r a n s m i s s i o no fr e a c t i v ep o w e ri ne l e c t r i cn e t w o r k c a nl c a dt on e t w o r k l o s sa n d s t e p - d o w nv o l t a g e ，t r a n s m i s s i o no f ag r e a td e a lo fr e a c t i v ep o w e rn e c e s s a r i l yr e s u l t e d i nr e d u c t i o no fu s i n ge f f i c i e n c yo fp o w e re n e r g ya n ds e v e r e l ye f f e c t e dv o l t a g eq u a l i t y i t b e c a m en e c e s s a r ym e a n st h a tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sw e r ei n s t a l l e di np r o p e r p o s i t i o no f e l e c t r i cn e t w o r k at s cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ew h i c hw f i tf o fl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o n n e t w o r kw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do nc o m p e n s a t i o np r i n c i p l ea n dc o n n e c t i o nw a y , t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ds w i t c h e so fc a p a c i t o r sa n dc r i t e r i o n so ft h ed e v i c e z e r o c r o s s s s r ( s o l i ds t a t er e l a y ) w a sa p p l i e di nt h i sd e v i c e i n t e r i o rz e r o - c r o s sd e t e c t i o nc i r c u i to f s s r i n s u r e dt h a tb i d i r e c t i o n a lt h y r i s t o rw a st r i g g e r e di nt h ez e r o v o l t a g ec o n d i t i o na n dt h u s g r e a t l yr e d u c e ds u r g ec u r r e n t t h i ss o r to fs w i t c hc i r c u i ta c h i e v e ds w i t c h i n go fc a p a c i t o r s w i t h o u tt r a n s i t i o nc o u r s ea n dw a ss i m p l ea n dr e l i a b l e a tt h es a m et i m e ，s o m es o r t so f c r i t e r i o n sw e r ec o m p a r e di nt h i sp a p e ra n dv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o m p o u n dc r i t e r i o n w a s a p p l i e di nt h ed e v i c e f h ec o m p o u n dc r i t e r i o nw h o s e m a i nc r i t e r i o nw a sr e a c t i v ep o w e t a n dw h o s ea s s i s t a n tc r i t e r i o ne f f e c t i v e l yo v e r c a m et h ed e f e c t so ft h ep o w e rf a c t o rc r i t e r i o ni n w h i c hs w i t c h i n go s c i l l a t i o nw a so f t e nr e s u l t e di nu n d e rl i g h tl o a da n dc o m p e n s a t i o nw a s i n s u 衢c i e n ta n d e rh e a v yi o a d c o m p a r e dw i t h r e a c t i v e p o w e rc r i t e r i o n ，t h ec o m p o u n d c r i t e r i o ng a v ea n e n t i o nt od e c r e a s i n gp o w e rl o s sa n di m p r o v i n gv o l t a g eq u n l i t y a t 8 9 c 5 2w a sas o r to fc h e a ps i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dw a sa p p l i e dt oc o n t r o l s y s t e m o fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n d e v i c e t h i sd e v i c ec o u l d f l e e t l y a n d t r u l y c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r a n dw a sl o w - c o s t i tp r o c e s s e dp r e f e r a b l yp r a c t i c a b i l i t ya n dw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nl o wv o l t a g ec i t yn e t w o r k a n dc o u n t r yn e t w o r k k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；z e r o c r o s ss s r ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r v i - 引言 1 引言 1 1 研究的目的和意义 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。在电力系统中，大多数网络元 件和负载都要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方 获得。显然，这些所需的无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离输送是不合理的， 通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即对 无功功率进行补偿。 在当今的电力系统中，感应式异步电动机和变压器作为传统的主要负荷使电网产生 感性无功电流；同时，随着现代电力电子技术的发展，大功率交流、变频等电力电子装 置在电力系统中得以广泛应用，这些装置大多数功率因数都很低导致电网中出现大量 的无功电流。无功电流产生无功功率。给电网带来额外负担且影响供电质量。因此。无 功补偿就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一这也是当今电气化自动化技术 及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题且正在受到越来越多的关注。 无功补偿的作用主要有以下几点( 王兆安等，2 0 0 2 ) ： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数降低设备容量减少功率损耗： ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压提高供电质量。在长距离输电线中的合适地点设置 动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相负 载。 目前，世界各国都将无功补偿作为电网规划的必不可少的一部分。然而，我圈与世 界上的发达国家( 美国、日本) 相比无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较 大差距。目前，日本、美国等发达国家补偿度达到0 5 以上，干网功率因数接近1 0 ， 而我国补偿度仅为0 4 5 ，因此在我田大力推广无功补偿技术尤为迫切( 伍小杰等，2 0 0 0 ) 。 无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。高压补偿通常是在变电所高 压侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率，对补偿点后的输电线路和负载的无功功率 起不到补偿作用：低压补偿可直接补偿输电线路和负载的无功功率，补偿效果最为理想。 但在低压补偿时，负载具有分散性大、数量多的特点，要求无功补偿装置成本低、操作 方便、易于维护和安装，而且必须能进行动态补偿。 目前，电力网中的负荷大部分是感性负载，因此，在电网中安装并联电容器可以供 给感性电抗滑耗的部分无功功率。并联电容器辛卜偿简单经济，灵活方便。但当今电力系 统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等， 这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无 功，容易造成过补或欠补。无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐 振，导致谐波放大。因此，采用对电容器分组，利用微机进行控制，根据负荷无功功率 的变化。对电容器组进行自动投切，以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在图内外 得到广泛应用。 目前国内广泛使用的此类装置主要有以下缺陷：一是以交流接触器作为电容器投切 的开关。它的主要缺陷是开关速度较慢，约为1 0 3 0 s ( 朱罡2 0 0 1 ) ，不可能快速跟踪 负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较严重的冲击涌流和操作过电压，从 而造成交流接触器的接点烧毁或是补偿电容器的内部击穿。严重影响了装置自身的使用 寿命；二是在控制方式上以功率因数作为检测量和控制目标，由于补偿终极目的是减少 进出电网的无功。丽无功功率是由电压、电流、相位决定的功率因数取样方式仅检测 电网中的相位差因此并不能准确反映电网中负荷的无功分量大小，轻载时容易造成投 切震荡影响控制系统的可靠性和使用寿命，也将影响电罔和用户设备的安全运行，重载 时则不易达到充分补偿。 近年来，电力电子技术及其元器件获得飞速发展，大功率电子器件已由原来的不控 及半控器件( s r d 、s c r 、g a l 广r 等) 发展到全控器件( g t r 、g t o 、i g b t 等) 和功率集 成电路( s m a r tp o w e r 、h v i c 等) ( 何大愚，1 9 9 9 ) 。随着电力电子技术的发展及其在电 力系统中的应用，交流无触点开关s c r 、g t r 、g t o 等相继应用于无功补偿装置，将其 作为投切开关。速度可以提高5 0 0 倍( 约l o us ) ( 朱罡，2 0 0 1 ) 对任何系统参数，无 功补偿都可在一个周波内完成。目前国内虽然也有一些使用晶闸管作为电容器投切开关 的无功补偿装置，即晶闸管投切电容器( t h y d s t o r s w i t c hc a p 们i t o r t s c ) ，但都采用 反并联的普通晶闸管或双向晶闸管。由于切除的电容器上有剩余电压，而电容器两端电 压不能突变，当系统电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的电流冲击 ( 这在有触点投切的电容器是不可避免的) ，这一冲击会直接损坏晶闸管。为了确保无过 渡过程投入电容器组，在每组电窖器投入之前必须经过零过渡过程检测因此由晶闸管 构成的切挟电路困其复杂的逻辑触发电路而影响其可靠性。本课题所研究的无功补偿装 置采用过零固态继电器( s s r ) 来投切电容器，交流型s s r 由于采用过零触发技术使 切换装置要简便可靠得多。在控制方式上，采用无功功率作为检测量，由于检测量和控 制目标是同一物理量，能够准确反映无功功率的变化。控制部分以单片机为核心具有 较强的数据处理能力而价格便宜。因此整套装置具有可靠性高，性能好，造价低，且易 于维护和安装，操作方便的优点。 目前全国范围内的配电网改造正在全面开展，解决目前电网尤其是低压城舟和农网 有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就 地补偿负载的感性无功功率减少无功功率在线路上的传输，降低输配电设备上的有功 功率损耗和电压降落，提高系统的输配电能力。因此，本课题所研究的无功补偿装置具 有非常广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 1 2 国内外研究动态和趋势 传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机虽然能进行 动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，目前在现场仍有使用， 但在技术上已显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，有取代同步调相机的趋势 但只能补偿固定无功，还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。目前在我国仍是主 要的无功补偿方式。 2 - 随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被 引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结台，产生了近几年出现的新技术柔 性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) ( ng h i n g o r a n i ；1 9 8 8 郑健超。1 9 9 9 ) ，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对 电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。 f a c t s 的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力( a r m e s s i n ae ta l ，2 0 0 4 ) 。静 止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r - - - - s v c ) 是它的一个类型，静止无功补偿技术是 2 0 世纪7 0 年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器。使其具 有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。目前这种 开关主要是交流接触器和电力电子开关。但用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而 且闭合时触头颤动导致电弧烧损严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功 补偿设备。晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t h c a p i l o r t s c ) 和晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o rc o n t r o lr 姗c t o r t c r ) 是其典型代表。t s c 补偿器可以很好的补偿系统所 需的无功功率，如果级数分得够细，基本上可以实现无级调节，瑞典某钢厂的两台1 0 0 t 电弧炉安装6 0 m v a r 的t s c 后，有效的使1 3 0 k v 电网的电压保持在15 的波动范围。 t c r 是用来吸收系统的无功功率的。瑞士勃郎鲍成利公司已造出此种补偿器用于高压 输电系统的无功补偿。此外s v c 还包括t s c + t c r 混合型的补偿器，我国平顶山至武 汉凤凰山5 0 0 k v 变电站引用进口的无功补偿设备就是t s c + t c r 型( 朱罡，2 0 0 1 ) 。目 前国内外对s v c 的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能 控制手段也被引入s v c 控制系统，使s v c 系统的性能更加提高( n i k o l a o sa t h a n a s i a d i s ， 2 0 0 2 ；j l ue ta l ，2 0 0 4 ：j s ue ta l ，2 0 0 4 ) 。 世界上已投运的输电用s v c 大约1 5 0 套( 何大愚，1 9 9 6 ) ，我国运行于5 0 0 k v 输电 系统的也有5 台。型式为t c r + t s c 或t c r + m s c 均为进口设备，国内工业应用的t c r 装置大约有2 0 套，其中一小半为国产设备，低压3 8 0 k v 供电系统有各类t s c 型国产无 功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的s v c 在我国的输变电系统运行( 霍利民 等2 0 0 2 ) 。 静止无功发生器( s t a t i c c a rg e n e r a t o r 一s v g ) 又称静止同步补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r - - 一s t a t c o m ) ( c h e nj i a n y e ，2 0 0 0 ) 是f a c t s 的新一代装置， 是采用可关断晶闸管( g t o ) 构成的自换相变流器，通过电源逆变技术提供超前和滞后 的无功( 翁利民等，2 0 0 1 ) 。它是随着电力电子技术的进一步发展，特别是1 9 7 6 年l g y u g y i ( l 。g y u g y i ，1 9 7 6 ) 等人提出利用变流器进行无功补偿的理论以及8 0 年代以来高功率大 电流全控器件的发展而逐步出现的进行动态无功补偿的静止补偿器。1 9 7 9 年日本研制出 第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式s v g 以来，世界各田的著名电力公司在该技术领域 竟相发展。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美圉又相继研制出8 0 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s v g ( 黄 顺礼，2 0 0 2 ) 。1 9 9 5 年，清华大学和河南省电力局共同研制出我国首台作为工业试验装 置的3 0 0 k v a rs v g ( 梁旭等，1 9 9 7 ) ，1 9 9 9 年清华大学和河南省电力局研制出具有工 业应用水平的采用g t o 的2 0 m v a rs v g 且井网成功( 李淼。2 0 0 2 ) 。 目前国内外对s v g 的建模、控制模式、结构设计和不对称控制等做了很多研究， - 3 - 东北农业大学工学硕士学位论文 i i i - _ _ _ l _ _ - _ _ _ _ _ 目日l i _ _ _ _ - _ _ _ _ l - _ t 自自_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ 日_ _ 但目前还有很多理论和实际运用的问题尚待解决( y e y a n g ，2 0 0 2 ：t vt r u j i l l oo ta l ， 2 0 0 3 ；n c s a h o oe l ；a 1 2 0 0 4 ) 。而且其控制复杂所用的全控器件价格昂贵，所以目 前还没有普及，尤其在我国，大功率电力电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据 我国国情，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而低压无功补偿中要求装置体积 小、重量轻、结构简单易于安装和维护，因此t s c 和t c r 装置非常适合于在无功就地 补偿领域推广。但s v g 具有调节速度更快且不需大容量的电容、电感等储能元件，谐 波含量小，同容量占地面积小等诸多优点，其优越性能必将使其成为未来无功补偿设备 的重要发展方向( m r a b i n o w i t z ，2 0 0 0 ) 。美国电力研究院还提出统一潮流控制器( u n i f i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r u p f c ) ( 王建元等，2 0 0 0 ；郭培源，2 0 0 1 ) ，集并联补偿、串 联补偿、移相等多种功能于一身( a e d r i s ，2 0 0 0 ：p k u m k r a t u g e ta 1 2 0 0 3 ) ，造价非常 高控制非常复杂，目前仅美国i n e z 变电站安装了这一装置( 李骈文，2 0 0 2 ) 。 1 3 本论文的主要工作 ( 1 ) 分析过零型固态继电器s s r 应用于低压动态无功补偿装置的工作过程及可行性， 从而保证在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程( 过电压和过电流) 投切解决以往 由于电容器残压过高而必须延时投切的问题； ( 2 ) 对低压无功补偿装置的控制策略进行研究，采用以无功功率作为主要的投切判据， 以电网电压作为辅助判据的综合控制策略，解决以往投切判据中轻载时产生投切振荡而 重载时补偿不充分的问题以及单一控制目标不够快速、准确的问题； ( 3 ) 在分析现有的各种无功补偿技术特点的基础上，进行低压动态无功补偿的理论研究， 在实验室进行模拟实验和调试，检验装置的性能。 4 - 2 无功补偿原理及容量确定 2 1 无功补偿原理 电力电子开关型电力补偿、控制器的根本原理是利用电力电子开关在电路中并联地 或串联地接入或切除电感、电容、电阻，从而瞬时地改变线路等效阻抗或等效的感性、 容性、阻性负载，达到补偿和控制电力系统中的电压、电流、有功功率、无功功率等电 力系统参数的目的，实现电力系统的安全、稳定、有效地运行( 陈坚，2 0 0 2 ) 。本课题所 研究的低压动态无功补偿装置属于静止无功补偿器s v c 这一类型中的晶闸管投切电容 器t s c ，是电力电子开关型电力补偿、控制器中的一种，它是利用在电路中并联地接入 或切除电容来改变等效的感性负载补偿系统的无功功率，实现系统无功功率平衡。下 面对t s c 乖j 用并联电容器实现无功补偿的基本原理进行具体分析。 由电工学可知，在交流电路中，只有纯电阻负载上消耗的功率称为有功功率，用尸 表示常用单位为k w ：而电感或电容性负载虽然基本上不消耗有功功率，但是它与电 源之间或相互之间进行着往返的周期性能量转换，形成无功电流这种往返交换的功率 称为无功功率用q 表示，常用单位为k v a r ，无功功率不是无用功率，它是电气设备输 出有功功率和传输电能的必备条件( 如电动机、变压器等它们需要建立变化的磁场才 能维持正常运行) 。在电力电路中实际上是电阻和电感或电容性负载都同时存在，而且大 部分是感性负载，因此，不仅消耗有功功率，同时也有无功功率在交换。我们把有功及 无功电流和电压的乘积称为视在功率，用s 表示，即s = u ，常用单位为k v a 。 有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 三者之间的关系可用图2 - 1 所示的功率三角 形表示。由功率三角形可以求得： s 2 = p 2 + 0 2 p = s c o s 声 q = s s i n # 户 c o s 西。s p 图2 - i 功率三角形 f i g 2 it h ep o w e rt r i a n g l e 式中c o s 功率因数，即有功功率和视在功率的比值。 功率因数的大小代表着电源被利用的程度，它的最大值为i ，这时p = s ，电源利用 率最高；同时，由于j = 西( u 为电网相电压) ，因此在同一电压下要输送一定的 功率，功率因数越大，线路中的电流越小，故线路中的损耗也越小。功率因数最小值为 东北农业大学工学硕士学位论文 零，这时p = 0 ，表示负载和电源之间只有往返的无功功率在交换。因此，在电力系统 中力求功率因数接近于l 。 图2 - 2 示出了有t s c 的电力系统。图中交流电源u s 经变压器p t 和线路电抗x l 后 图2 - 2 有t s c 的电力系统 f i g 2 2t h ep o w e rs y s t e mw i t ht s c 对负载供电。负载端电压为u 2 ，负载通常为电阻、电感性负载，其电流为j 。功率因数角 为矿，于是有： 式中j ，有功电流： 乇无功电流： p 有功功率； q 无功功率。 jp = l o o s e i o = l s i n 妒 p = u 2 c o s 妒= u 2 ，p q = u 2 i s i n 庐= u 2 l q 负载电流，流经电源、变压器和线路电阻时所产生的功率损耗，2 矗和发热、温升与 电流值的平方1 2 成正比。受功耗、发热和温升的限制，发电机、变压器、线路、开关电 器等一切电气设备都只允许通过一定数值的电流如，当有无功电流、无功功率而使功率 因数小于1 时，发电机、变压器、线路、开关电器等电气设备尽管其电流己达到最大允 许值k ，但它们能发送的电功率户却随c o s 矿成比例地减小，即电气设备发送功率的利 - 6 髫 & 五u l 广咿 l f u p 用率成比例地减小。换句话说，如果电气设备发送的功率一定，c o s 越小( 无功电流、 无功功率越大) ，则电气设备所流过的电流i = e ( u ：c o s 矽) 越大，功耗和发热温升越严 重。 如果在负载处，经双向晶闸管开关t 接入一个电容器c ，如图2 - 2 所示，电容 抗为x c = l ( 2 班) ，流入电容c 的容性电流t 超前电压d ：9 0 0 ，如果选取c 的大小 使等于负载感性无功电流厶，即 i c = u 2 x c = 2 = f c u 2 = ，o = i s i n 庐 c ：i s i n 庐 2 习u 2 则负载的感性无功电流屯将被流入电容器c 的容性电流t 所补偿， 性电流五等效于电容器向电网输出一丘，厶超前厶 口29 0 0 ，一j c 滞后驴29 0 0 ，一j c 是感性电流，矢量图如 图2 3 所示。因此，等效于电容器向电网输出感性电流 一，按( 2 - 1 ) 式选择电容c ，那么电容器输出的感性 电流一厶正好等于负载的感性电流厶。于是电容器和感 性负载并联后的等效负载就只有有功电流 ，( i + = i ，+ i 。+ i ，= i ，) ，等效负载的功率因数为 i ，发电机、变压器、线路就只流过有功电流，。、只传负 载的有功功率p ，减少了功率损耗。或者说使发电机、变 ( 2 1 ) 电网流入电容器容 -叠： 压器、线路可以发送最大的有功功率。 电容器相当于一个滞后无功电流源、滞后无功功率发生器。双向晶闸管在交流电源 正、负半波都导通时，电容c 投入电网；双向晶闸管正、负半波都处于阻断时，相当于 电容c 从电网切除。因此，这种滞后无功补偿器被称为晶闸管投、切电容器无功补偿器 t s c 。这时晶闸管只是作为一个电路开关在交流电网电压周期中全部导通( 电容器投入 到电网) 或全部阻断( 从电网切除电容器) 。由于电容器上的电压不能突变，因而电容器 投入电网即晶闸管的触发信号应在电网电压为零时加入。 晶闸管投、切电容器t s c 无功功率补偿器所能补偿的滞后无功功率大小由电容c 的 大小确定。由于负载无功功率的大小是随时变化的，因此，设置一个或两个电容器不可 能任何时候都恰如其分地满足需要。过渡的无功补偿也会使c o s 小于l ，反而适得其反， 因此，只有设置许多个小容量的t s c ，根据负载无功的情况投、切不同容量的t s c ，才 有可能得到较好的补偿效果。 t s c 在补偿无功的同时，还可以提升负载端电压。负载电流流过变压器和线路电抗 时会引起电抗压降。图2 2 中u 和u ，两端的电压将u 为 - 7 u = u ，一u ，= i l x ， 0 。= 驴，+ 一l x ， 如果流过z ，的电流是感性电流，。如图 2 4 所示。则u ，与u 。同相，u ，比u 。小，。y ，。 如果流过，的电流是容性电流。如图2 - 5 所示，则与u ，同相，u ，比u ，大，x ，。 所以感性负载电流流过变压器和线路电抗时会 使负载端电压u ，下降，而容性负载电流流过变 压器和线路电抗时则会使负载端电压以上升。 因此，图2 - 2 所示的t s c 的另一个优点是提升 负载端电压，或者说可以补偿感性负载所引起 的负载端电压的下降。 2 2 无功补偿方式及容量确定 电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未 补偿时的负载情况、电容器接法有关。补偿方 式不同，补偿容量的计算公式也不相同。 按电容器安装的位置不同，低压电网利用 并联电容器进行无功补偿的方式有三种：集中 图2 - 4 感性电流矢量图 f i g 2 4v e c t o rd r a w i n g o f i n d u c t a n c ec b r r e n t u 、j i c xl 图2 - 5 容性电流矢量圈 f i g 2 5v e c t o rd r a w i n g o f c a p a c i t a n c e 补偿、分散补偿( 分组补偿) 和就地补偿( 单机补偿) 。低压无功补偿的三种方式如图 2 - 6 ( 柳春芳等。2 0 0 2 ) 所示。 i j - i h c ，南 c 1 _ ll ， i _ l r i 石 图2 - 6 低压无功补偿装设方式 f i g 2 - 6t h e i n s t a l l m e n tw a yo f l o w v o l t a g er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r 8 - 2 2 1 集中补偿 这种补偿方式是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，如图2 - 6 中c 所示。低压集中补偿方式适用于线路末端负荷波动幅度不大、基荷所占比重较大、 负荷容量较大，地点集中的场合( 柳春芳等，2 0 0 2 ) 。 这种补偿方式的优点是：可以就地补偿变压器的无功功率损耗。由于减少了变压 器的无功电流相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负 荷。可以补偿变电所以上输电线路的功率损耗。可以就近供应3 8 0 v 配电线路的前 段部分及所带用电设备的无功功率损耗。便于集中控制。缺点是：它只能减少装设点 以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，丽不能减少用户内部通过配电线路向 用电设备输送无功功率所造成的损耗。 集中补偿一般按提高功率因数的需要确定补偿容量。方法是：先根据各用户所有设备 计算出总平均功率j ) 叫及总平均功率因数c o s # i ( 补偿前) 。确定补偿后的功率因数 c o s # ，则朴偿容量可由下述公式计算( 靳龙章等。1 9 9 7 ) ： q c = 凡p 础( f g 硪一增妒：) ( 2 - 2 ) = 凡( 辱一辱i _ 1 式中( ) r 需要补偿的无功功率( k v a r ) ； 芦乙月平均负载率： j 乙。由变配电所供电的月最大有功计算负载( k w ) 以补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值； 以补偿后希望达到的功率因数角。 也可采取经验系数法来计算补偿容量( 王铮，2 0 0 2 ) ，即 q c = k 口 ( 2 - 3 ) 式中玎0 配变容量： k d 经验系数。 设计时，若采用公式( 2 2 ) ，一般都将负载率取为7 0 8 0 ，若采用公式( 2 - 3 ) ，通常 置口值取为变压器容量的l ，3 左右。本课题中无功补偿装置就是针对集中补偿方式设计 的设计中采用了公式( 2 2 ) 来计算补偿容量。 在采用公式( 2 - 2 ) 来计算补偿容量时，通常并不把补偿后希望达到的功率因数设置 为l 。由理论分析可知，当功率因数超过o 9 5 时，功率因数值随电容量增加的曲线趋于 平缓，功率因数与补偿容量的关系曲线如图2 - 7 所示( 王铮，2 0 0 2 ) 。 从图2 7 中可以看出，功率因数值约接近l ，需要投入的电容器比例越大，投资效 - 9 东北农业大学工学硕士学位论文 图2 - 7 补偿容量与功率因数的关系曲线 f i g 2 - 7 t h er e l a t i o nc u r v eo f c o m p e n s a t i o n 益比越小，因此再增加补偿容量是不经济的。 电容器接法不同，每相所需容量不同。设电网线电压额定值为u 当电容器为星形 连接时( 王香，2 0 0 1 ) ； c ，= q c 2 ) 当电容器为三角形连接时( 王雷，2 0 0 1 ) ： c = o c ( 3 0 , u 2 ) 2 2 2 分组补偿 这种补偿方式是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线 上，或者直接与低压干线相联接形成低压电网内部的多组分散补偿方式，如图2 - 6 中c ， 所示。该种方式是被补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配屯 主干线路的无功功率损耗相应地减少，因而分组补偿比集中补偿降损节电效益显著，尤其 是当用电负荷点较多( 比如多个车间) ，而且距离较远时，补偿效率更高( 柳春芳等。2 0 0 2 ) 。 分组补偿的优点：有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无功负荷就 地平衡，减少无功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降低：分组电容 器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高，分组补偿虽然不如集中补偿 管理方便，但比单台电动机补偿易于控制。缺点是：如果装设的电容器无法分组- 则补偿 容羹无法调整运行中可能出现过补偿或欠补偿：分组补偿方式的一次性投资大于集中补 偿方式操作控制上也比集中补偿方式麻烦很多，且分组补偿时用户变压器消耗的无功功 率必须由车间电容器组向上倒送或由电网输送。通常分组补偿容量计算与集中补偿一样。 l 宝，o o o o o o o o o o 2 2 3 单台电动机的补偿 这种方法是就地补偿用电设备( 主要是电动机) 所消耗的无功功率，将电容器组直接 装设在用电设备旁边，如图2 - 6 中c ，所示。电容器组随电动机同时投入或退出运行使电 动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，从而使装设点以上输配电线路输送的无功功率 减少，能获得明显的降损效益( 柳春芳等2 0 0 2 ) 。 该种方式的优点是：当大中型异步电动机比重较大、利用小时又较多时，这种补偿方 式的降损节电效果是显著的。但是这种方式只能作为辅助补偿方式来应用，而且因是逐台 补偿，会使补偿容量增大，从而使补偿装置的总投资增大。 为了防止产生自励磁过电压而损坏电动机，单台电动机补偿容量的确定应保证电 动机在断开电源时，电容器的放电电流不大于电动机的空载电流。单台电动机补偿容量 按下式计算( 刘东山，1 9 9 7 ) ： 0 rs q 3 u i a 式中( i 补偿电容罂容量( k v a r ) ： u 电动机额定电压( k v ) ； ，。电动机空载电流( a ) 。 3 主电路设计 3 1 电容器的接线方式 电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。目前电容器组的接线方式有3 种， 分别是三角形接法( a 接法) ( n a n d ise t a l 1 9 9 7 ) 、星形接法( y 接法) 、三角形和星形 相结合接法( 一y 接法) 。相应的补偿方式为三相共补、三相分补、三相共补与三相分 补相结合( 门洪等，2 0 0 2 ) 。三角形接法的优点是投资少、控制方便，缺点是补偿辅度差， 在三相负载不平衡时，容易出现有的相过补或者有的相补偿不充分，所以三角形接法主 要用于三相对称性负荷。星形接法是根据每相的无功功率进行补偿因此不会造成无功 过补但装置造价要比三角形接线高得多，控制也相对复杂。三角形和星形相结合的接 法综合了以上两种接法在补偿方式上既有共补又有分补。 3 1 1 三角形接线 三角形接线对应于三相共补的方式。三相共补的方式是根据控制器统一取样各相 投入相同的补偿容量。这种补偿方式的接线如图3 - 1 所示。适用于三相负载基本平衡、 各相负载的功率因数相近的网络。国内外制造厂对三相共补的电容器均选用接线的原 因，主要是额定电压4 0 0 v 的自愈式电容器的价格较同容量额定电压2 3 0 v 的电容器要便 宜得多。这是由于原材料价格的原因和4 0 0 v 电容器极间工作电场强度较高的缘故。以 4 0 0 v 的电容器为例用厚8 m 金属化膜时，工作场强为5 0 m v l m ，如用厚7u m 的金 属化膜工作场强为5 7 1 4 m v m ，而2 3 0 v 的电容器，如维持与上述的工作场强相近时 则必须选用更薄的金属化膜，但4 5um 薄膜的价格要比7 8um 薄膜贵得多，故对 2 3 0 v 电容器一般是采取降低工作场强的设计，按照国内的通常价格，同容量的2 3 0 v 电 容器的价格为4 0 0 v 电容器价格的2 倍以上( 高字英等2 0 0 2 ) 。 图3 - i 并联电容器接线 f i g 3 1t h e c o n n e c t i o n o f p a r a l l e c o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 1 2 - 图3 - 2 并联电容器y 接线 f i g 3 2t h e yc o n n e c t i o no f p a r a l l e l c o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 3 1 2 星形接线 星形接线对应于三相分补方式。三相分补方式就是各相分别取样，各相分别投入不 同的补偿容量。适用于各相负载相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。接线如 图3 - 2 所示。与三相共补的不同特点是：单台并联电容器的额定电压为2 3 0 v y 接； 控制器分相进行工作，互不影响。当然，其价格高于三相共补的装置。一般要贵2 0 3 0 ( 高宇荚等，2 0 0 2 ) 。 3 1 3 三角形和星形相结合接线 三角形和星形相结合接线对应于三相共补与三相分补相结合方式，接线方案如图3 - 3 所示。三相共补部分的电容器为接线。三相分补部分的电容器为y 接线，这种接线方 式的补偿装置，运行方式机动灵活。其成套价格低于圈3 - 2 的接线方案但要高于图3 1 的接线方案。 图3 3 并联电容器一y 接线 f - g 3 3t h e 一y c o n n e c t i o no f p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 由以上分析可以看到电容器的星形接线方式和三角形与星形相结合的接线方式， 虽然不会造成无功过补，但这两种方式控制复杂且电容器的造价高；同时，高精度的无 功功率和电压检测又是无功补偿的关键环节这两种接线方式由于分相控制需要，三相 电流和电压均要分别检测不仅大大增加了硬件设备投入还增大了补偿装置的体积和 重量。使得该部分在整个补偿系统造价中占较大比重。本课题的设计是针对三相负载相 对平衡的网络，因此采用三角形接线，装置造价低且不易出现过补。 3 2 电容器的分组方式 当采用t s c 补偿设备时，由于其输出不能连续调节，电容器分组对补偿效果构成明 显影响。为了延长电容器寿命，各组电容器投切频度应尽可能降低，且各组投切次数基 本相当。为了达到较高补偿度，同时避免过补偿。分组容量应尽可能地小。二者之间存 在一定矛盾。提出合理的分组策略也是一个研究内容。 1 3 电容器的分组方式有等容分组方式和不等容分组方式。所谓等容分组方式，是指各 组电容器的容量相等，其优点是易于实现自动控制，缺点是补偿级差大，要想获得较小 的补偿级差，必须增加分组组数，相应的控制设备及所占空间也需要增加；所谓不等容 分组方式，就是指各分组电容器的容量不想等。其优点是利用较少的分组就可获得较小 的补偿级差。例如1 5