[毕业设计精品]电力系统无功功率动态优化补偿装置

1、毕业设计 毕 业 设 计发电厂及电力系统 专业电力系统无功功率动态优化补偿装置 学生姓名： 指导老师： 二00九年六月 前 言iii第一章 动态无功功率补偿装置概述1第一节 现有补偿装置存在的问题及解决方法1第二节 无功补偿和提高功率因数的意义3第三节 无功功率补偿技术的发展趋势13第二章 补偿装置现状的调研与问题的提出15第一节 无功功率补偿的种类和特点15第二节 问题的提出21第三章 无功功率优化动态补偿装置25第一节 装置简介25第二节 工作原理26a30第三节 抗干扰措施41第四章 设计总结43参考文献：45前 言无功功率补偿是电力系统的经典话题，补偿得当，可以提高供电效率，减少线路损

2、耗，提高供电质量。以前的补偿装置多用估算的办法，不能适应动态的要求。随着单片机技术和电子测量技术的发展，现在有条件实时测量出功率因数，根据测量结果及时进行补偿，补偿的程度可以具体线路进行设定。本设计就是要完成这样的实际装置。要考虑适应现场恶劣电磁环境，保证能够长期可靠运行，不发生死机现象。在本设计中，用pt和ct分别采样电流、电压信号，由单片机进行相位差计算，根据计算结果，投入或切掉并联的补偿电容。电容的分组可以采8：4：2：1的比例，使调节更加精细。相位测量可以采用单片机计数配合电子线路实现。电容投切控制使用固态无触点开关，采取过零宽高频调制脉冲触发方式，以减少冲击电流；关断采用电流过零自然

3、关断；投入采用记忆方式，保证原电容充电方向与系统电源方向一致。 44第一章 动态无功功率补偿装置概述为提高供电设备效率，减少供电线路电能损失，国内外自上世纪50年代初就开始进行无功功率补偿装置的研究工作，其方法主要有两种：一种是在电网上并联电容器，通过提高电网的功率因数达到减少线路电压损耗，提高供电设备利用率的目的;另外一种是在电网上并入同步电动机，通过改变同步电动机励磁电流的方法来改变电路负载特性。其中前一种方法适用于居民、商业及小型工厂的低压供电系统，而后一种方法适用于大型工厂中的无功功率补偿。 在实际应用中，由于电路特性是随时变化的，为了达到较好的补偿效果，就必须动态跟踪电路特性的变化，

4、实时监测电路中与的相位差角，根据角的大小决定并联电容器的值。基本的功率因数补偿电路如图1-1 所示图1-1功率因数补偿电路电路中的k1k n在自动动态补偿装置中可采用双向可控硅，在电路工作时，一般保证u1，为分析方便，可认为u2u1，则 (2-2)当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低21左右。在输送功率不变情况下，提高，i相对降低，设为补偿前变压器的电流，为补偿后变压器的电流，铜耗分别为，；铜耗与电流的平方成正比，即 (2-3)由于p1=p2，认为u2u1时，即 (2-4)可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的80。（三）减少了线路的压降由于线路传

5、送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高)，有利于大电机起动。（四）增加了供电功率，减少了用电贴费对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，cos提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。对于新建项目来说，降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。三 就地补偿与集中补偿的技术经济分析（一）电容补偿在技术上应注意的问题1、防止产生自励。采用电容器就地补偿电动机，切断电源后，电动机在惯性作用下继续运行，此时电容器的放电电流成为励磁电流，如果电容过补偿，就可

6、使电动机的磁场得到自励而产生电压，如图6所示。因此，为防止产生自励，可按下式选用电容 (2-5)2、防止过电压。当电容器补偿容量过大，会引起电网电压升高并会导致电容器损坏。我国并联电容器国标规定：“工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。”因此必须符合qc 0.1ss的条件。3、防止受到系统谐波影响。对于有谐波源的供电线路，应增设电抗器等措施，使谐波影响不致造成电容器损坏。由此可见，就地补偿较集中补偿，更具节能效果。四 电容补偿控制及安装方式的选择（一）就地补偿与集中补偿的有关规定1、gb1249790三相异步电动机经济运行第7.6条规定：50kw以上的电动机应进行功率因数就地补偿。2、g

7、b348583评估企业合理用电技术导则第2.9条规定：100kw以上的电动机就地补偿无功功率。3、gb5005295供配电设计规范第5.03及5.0.10规定。4、国外用电委员会法规与专业学报均有类似规定与刊载。（二）电容补偿方式的选择采用并联电容器作为人工无功补偿，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡，即低压部分的无功宜由低压电容器补偿，高压部分的无功宜由高压电容器补偿。对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜就地补偿。补偿基本无功的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在有工业生产机械化自动化程度高的流水线、大容量机组的场所，宜分散补偿。（三）电容器组投切方式的选择电容器组投切

8、方式分手动和自动两种。对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。（四）无功自动补偿的调节方式以节能为主者，采用无功功率参数调节；当三相平衡时，也可采用功率因数参数调节；为改善电压偏差为主者，应按电压参数调节；无功功率随时间稳定变化者，按时间参数调节。五 电容补偿容量的选定（一）集中补偿容量确定先进行负荷计算，确定有功功率p30和无功功率q30，补偿前自然功率因数为cos1，要补偿到的功率因数为cos2。则 (2-6)为平均负荷因数。（二）电动机就地补偿

9、电容器容量确定就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流，因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。负载率越低，功率因数越低；极数愈多，功率因数越低；容量愈小，功率因数越低。但由于无功功率主要消耗在励磁电流上，随负载率变化不大，因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数，才能得到最佳补偿效果。6结合工程实例谈电容补偿的应用以某大型项目中能源中心为例，该项目设备装机容量约为21000多千瓦，其中高压电动机设备容量为5400多千瓦，其他低压设备容量为5000多千瓦。供电电源的电压等级为10kv。本着“节能、高效”的方针，初次尝试了采用燃汽轮机发电机组自发电，冷、热、电三联供，做到汽电共生，实

10、现能源综合利用。经过经济分析，采用10kv作为高压电动机的供电电压等级，投资较省，同时亦减少变电环节，也就减少了故障点。根据负荷计算，共采用六路10kv电源，分别对高压电动机直配。在这个项目中，高压电动机主要用于空调系统中的中央空调机组，以及主机的外部设备冷冻水循环泵和冷却水循环泵多台设备。这些设备单机容量很大，离心机组单机最大达2810kw(共5台)，小的870kw(共4台)，冷冻水循环泵单机560kw(共9台)，冷冻水循环泵单机亦有380kw(共3台)，自然功率因数在0.8左右。如果在10kv配电室集中补偿电容，不采用高压无功自动补偿的话，如此大容量的电动机起、停会使10kv侧功率因数不稳

11、定，有可能造成过补偿，引起系统电压升高。同时，从配电室至冷冻机房高压电动机的线路最近50m，最远140m，线路损耗相当可观，综合考虑到高压自动补偿元件、技术、价格均要求高，因此采用高压电容器就地补偿，与电动机同时投切。高压电容器组放置在电动机附近。这些电动机采用自耦降压起动方式，高压就地补偿装置以并联电容器为主体，采用熔断器做保护，装设避雷器用于过电压保护，串联电抗器抑制涌流和谐波。这样做，不仅提高了电动机的功率因数，降低了线路损耗，同时释放了系统容量，缩小了馈电电缆的截面，节约了投资。对于低压设备，由二台1000kva及二台1600kva变压器配出，低压电机布置较分散，因此，在变电所变压器低

12、压侧采用电容器组集中自动补偿。虽然一些低压电动机的容量也不小，就地补偿的经济效益亦有，但这些设备主要用于锅炉房和给排水设备，锅炉房的设备不如冷冻机房集中，环境较差，管理不便，因此，在低压配电室采用按功率因数大小自补偿是较合适的。七 总结对无功功率进行补偿的节能效果是有目共睹的，在应用的过程中，还应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定是采用集中补偿还是就地补偿，还是两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。 第二节 问题的提出最初的无功补偿装置采用并联电容器，估算其容量然后死接在待补偿线路上。这种用固定容量电容器进行补偿的方法不能适应负荷无功的变化，而且电容器无功出力与运行

13、电压平方成反比。当电力系统运行电压降低时，补偿效果降低；而运行电压升高时，对用电设备过补偿，使其端电压过分提高，甚至超出标准规定，容易损坏设备绝缘，造成设备事故。这就发生了电容器的控制问题，即应根据电网无功的变化，对补偿电容器进行相应的投切 。可分为手动和自动两种控制方式。手动投切难以适应负荷无功的变化，现多采用自动控制装置。现行的控制装置大体可分为四种类型：（1） 电压控制型（2） 时间控制型（3） 功率因数控制型（4） 兼而有之的混合型电压控制型装置的优点是线路简单造价低，易维护。适用于距离变电所较远，负荷较大的变电所。其缺点是：控制本身与功率因数的关系不甚密切，且当电网电压波动较快时，装

14、置的动作比较频繁。功率因素自动控制器发展至今大体经历了三个阶段，具体如下：（1） 早期产品其缺点为检测单元由相敏放大器构成，而相敏放大器的晶体管始终工作在放大区。因此，相敏放大器输出电压的大小不可避免的受到了线路负载电流变化的干扰。给调试带来了很大的困难，严重时使装置工作失灵，甚至损坏晶体管。（2） 中期产品 中期产品主要在主控单元作了改进，采用了可逆计数器，并增加了自保护功能。但经实践检验发现，中期产品还有许多待改进之处，如由于硬件线路复杂，使故障率高且不易维修；自诊能力、抗干扰能力差等。（3） 目前产品 近几年，由于微机技术的应用，使功率因数自动补偿装置的发展进入了一个新的阶段，进一步加强

15、了主控单元的功能，集成化程度大大提高了，自诊能力、抗干扰能力都得到了加强。现有功率因数自控器存在的问题（1） 容易发生“投切振荡”现象所谓“投切振荡”是指在轻负荷状态下，若投入一组电容器，则功率因数超过规定的上限；而切下这组电容器，功率因数又低于下限，因此发生反复投切的现象。（2） 容易发生“合闸涌流”现象电容器组投运合闸时，产生的合闸涌流，分两种情况，第一种是单独一组电容器的合闸涌流；第二种是已有一组或多组电容器运行，再投运一组电容器时的合闸涌流。（1） 单组电容器合闸涌流单独一组电容器在第一次合闸投运的瞬间，即未充电状态，流入电容器组的电流，只受其回路阻抗的限制。由于回路阻抗很小，与短路状

16、态相似，将产生很大的冲击合闸涌流，流入电容器组。涌流的最大值im发生在电容器组合闸瞬间，刚好系统电压处于最大值um时。电容器组切除运行后，如果未经放电，在再次合闸前的瞬间仍处于带电状态。如果这时把电容器组合闸投运，又处于系统电压与充电电压大小相等方向相反时，则合闸产生的涌流为未充电状态合闸涌流的2倍。为避免带电合闸，电容器组每次断开后，必须充分放电，才能再重新合闸运行，或进行等电位投入。( b ) 多组电容器追加合闸涌流已经有一组或多组电容器运行时，再投入一组电容器的合闸瞬间，将产生追加合闸涌流。追加电容器组与运行电容器组之间的距离很近，它们之间的电感很小，几乎等于零。追加的电容器与短路状态相

17、似，所以运行的电容器组将向它大量充电，全部冲击合闸涌流，都将流入追加电容器组，这时的合闸涌流将达到很危险的程度。特别是系统电压处于最大值的瞬间合闸时，追加涌流将达到最大值。（3） 投切方式不合理 现有功率因数自动控制器多数采用“顺序投切”和“循环投切”方式，但不管那种方式，电容器都是一组一组的投入，而不是一步到位的投入，加之投切采用交流接触器控制，不能频繁快速的投切。采用交流接触器，投切时易产生火花，影响接触器的使用寿命，而且对附近无线电产生干扰。设计思路：无功补偿对电网节能损耗有着极为重要的作用，而现有的负荷无功波动很大，现有无功自动补偿装置虽能自动跟踪补偿负荷的无功，但不易频繁投切，不能适

18、应动态的要求，致使当系统的功率因数变化比较大、较频繁时，系统的功率因数较低，并且投切时会产生“浪涌电流”对电容器不利。随着单片机合电子测量技术的发展，可以实时测量系统的功率因数，通过单片机编程，根据测量结果进行一步到位的投切，补偿程度可以根据具体线路进行设定，本设计就是要完成这样的装置，并考虑适应现场恶劣的电磁环境，保证能长期、可靠的运行，不发生死机的现象。方案比选：方案一：电容器分为容量相同的八组，随时检测线路的功率因数，如果低于给定值，则单片机发信号，投入一组电容器，然后再检测，只要低于给定值就再投入一组电容器，这样反复检测，直到功率因数达到给定值则停止投入。方案二：电容器分组采用8：4：

19、2：1（容量之比），可以组合成16种组合，随时检测线路功率因数，和给定值进行比较，查表得出补偿到给定功率因数需补偿的容量，然后一步到位的投入电容器。方案一投切所需的时间比较长，而且容易形成“投切振荡”现象；方案二投切所需的时间很短，调节更加精细，且能一步到位的投切，不易造成反复投切而形成“投切振荡”现象。所以我采用了方案二进行电容器的投切。 第三章 无功功率优化动态补偿装置针对现有的电容器自动补偿装置的种种弊端，我们设计了此款无功功率优化动态补偿装置，它主要应用于城网、农网、配电网和变压器低压侧户外全自动跟踪无功动态补偿节电箱，对电力系统降损节能有重大的技术经济意义。第一节 装置简介一 装置的主要技术特点：1.真正实现无功自动跟踪投切。采用单片机对电网无功进行自动跟踪监测；对电容器投切电子开关进行全自动控制，响应及时迅速，杜绝了对电网危害甚大的过补现象。2.实现了对电容的等电位投入，零电流切除，投入切除一步到位，不会发生“投切振荡”和“合闸涌流”现象，