电网无功功率自动补偿控制装置研究

1、分类号： 密级： ： 编号： 工程硕士学位论文 电网无功功率自动补偿控制装置研究 硕士研究生： 覃登罗 一指导教师： 刘胜教授 企业导师： 陈伟林高工 学位级别： 工学硕士 工程领域： 电气工程 所在单位： 广州中船黄埔造船 论文提交日期： 年月 论文辩论日期： 年月 学位授予单位： 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘 要 随着供需矛盾的加深及人们对供电质量要求的提高，配电网无功功率补偿成为目前电力系统中的一项重要工程一本课题通过设计无功补偿自动控制器来实现并联电容器组的自动投切，完成无功功率的自动补偿，保证电力网的电力品质合格。 以功率因数和电压两个量作为动作判断的依据，对电容进

2、行投切是本设计的动作原理，即根据“保证电压合格，无功根本平衡，尽量减少控制次数的原那么，当电网电压处于合格范围时，以提高功率因数、降低电能损耗为主要目的，当无功功率越上限时，投入电容器组来降低无功功率，当无功功率越下限时，切除电容器组来提高无功功率；当电网电压过高时，将投入的电容切除来降低电网电压。对现存无功自动控制器所存在的缺乏，从软件实现上作了一些改良，采用优化的投切控制区域图实行控制，并实现对电容器组进行强行投入和强行切除控制，根本上克服了所存在的缺乏，提高了补偿精度和快速性，实现了循环投切，防止了投切振荡，延长了电容器组的寿命；从硬件设计和软件设计上采取多项抗干扰措施进行电磁兼容设计，

3、提高装置的抗干扰能力，使装置的工作更加稳定。 以为核心芯片，可获得很高的测量精度；以功能强大的单片机为控制器，使控制器具有很高的灵活性与可靠性。从电网中检测到功率因数的相关参数电压、电流、有功功率送单片机，单片机计算出功率因数，将计算出的功率因数和电压与设定的功率因数和电压上下限进行比拟，按优化的控制区域图控制规那么，发出相应的电容器投切的命令。 本装置提供了友好而简易的操作界面，能够实时显示电压、电流、功率因数、投切电容器组等状态，并设有报警、闭锁功能。同时用户可根据需要通过键盘设定功率因数上、下限值和过电压值等参数。采用总线标准在单片机与上位机之间实现串行通讯，上位机可实时监控功率因数、电

4、压等状态。关键词：无功功率；功率因数；并联电容器； 哈尔滨工程大学硕士学位论文田一 一 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。， ， ， ， 谢吐 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， ， ， ， 一 ?酰? ， ： ； ； ；· 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由本人独立完成的。有关观点、方法、数据及文献的引用己在文中指出，并于参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本人完全意识到本声

5、明的法律结果由本人承当。 作者签字：壅盟 日期：略年月，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章绪论课题的背景和意义课题的背景 随着我国经济开展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降耗管理已成为国家政策中的重要内容。电力网输送的功率经过线路和变、配电设备时，都会造成功率损失，配电网无功的合理分布对提高电网的电能质量和节能降耗的影响十分重要，无功补偿是降低线损的有效措施。 功率因数的电压是电能的两个主要质量指标。?供电营业规那么?对功率因数给定了一个最低限量，其标准为：及以上高压供电的用户功率因数为以上；其它电力用户和大、中型电力提灌站、趸购转售电企业，功率因数为以上；农业用电功率因数为。

6、凡功率因数达不到要求的用户，要设计和安装无功补偿设备，以提高功率因数，否那么供电企业可拒绝供电。无功电力是影响电压质量的一个重要因素。为加强无功电力的管理，各级电压的电力网和电力用户都要提高自然功率因数，并按“全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡的原那么，安装无功补偿设备。 造成电网的电力品质变坏的因素很多，其中电网中的电力负荷如电动机、变压器等是造成功率因数、电压不合格的主要因素，这些设备属于感性负荷，在运行过程中需要向它们提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源提供应感性负荷、经线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在

7、电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少、收效快的降损节能措旌。目前无功补偿设备以并联电容器为主，而电容器的投切的准确性对补偿的效果至关重要，因此，提出了要研究的课题一无功功率补偿自动控制器的研究。 本课题是针对大功率电动机的就地补偿而设计的，目的是提高功率因数，降低网损，节约电能和提高供电质量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文课题的意义我国供电现状 近几年来，由于经济形势的开展，投资环境的改善，电价逐步降低，工业用电、住宅用电随之迅速增长?孀殴诘缤脑斓闹鸩酵平涞缤慕峁怪鸩角饔诤侠恚缒苤柿坑兴纳疲缦咚鹩兴陆怠壳埃夜鞘

8、械缤缒芰蛔悖鼙酰煽啃越喜睿荒苁视鼻暗木梅沟男枰缤牡缪怪副暌膊荒芰钊寺狻缤咚鹁痈卟幌拢峭咚鹇矢呤瞧渲匾颉捎谟玫缈突诙啵òü怠怠旃桃怠没龋恍玫缈突谖薰钩矫婊蛊毡椴还蛔跃酰贾铝伺涞缦低功率因数普遍低于，电压质量、供电线损还很不理想。无功缺乏的危害 在电力系统中，有功缺乏会引起频率下降；无功缺乏将导致电压降低。电压是电能质量的主要指标之一，电压过低，对电网的平安运行、经济运行及用户电气设备危害是很大的，主要表现有： 当电压下降到额定电压的时，无功静态稳定受破坏，发生电压崩溃，造成大面积停电事故。 降低发、供电设备的能力。由于电压低而多送无功负荷，实际是降低输送有功负荷的能力。 增加

9、电网的功率损耗及电能损耗。由于有功功率损失与电压、功率因数平方成反比，随着电压、功率因数的降低，电能损耗将急剧增加，增加了供电本钱。 烧毁电动机。当电压降低时，异步电动机转差率增大，绕组中电流增大，温升增大，效率降低，寿命缩短，有的因长期低电压运行，使绝缘老化、发热而烧毁。 电压过低还使电炉等设备的发热效率降低，白炽灯发光效率降低。 过低的电压会使接触器、继电器无法吸合，各种电子设备不能正常工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发电机因电压低而影响有功及无功出力。 垃 由上式可见，当负载的功率因数时，发电机的电压和电流又不能超过额定值，显然这时发电机所能发出的有功功率就减小了。功率因数愈低，发电

10、机所发出的有功功率就愈低，而无功功率却愈大。无功功率愈大，即电路中能量互换的规模愈大，即发电机发出的能量就不能充分利用。无功补偿的作用 综上所述，提高功率因数是一个十分重要的课题，从整体看，必须提高电网中各个组成局部的功率因数，才能充分利用发电、变电设备容量，减少网损，降低线路的电压损耗，以到达节约电能和提高供电质量的目的。而无功补偿是提高功率因数的重要手段，无功补偿有以下作用： 节省电费开支 提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求到达的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提

11、高功率因数对企业有着重要的经济意义。 挖掘设备潜力 由于负荷功率因数低，影响发电机出力，因为发电机、变压器等设备容量是用千伏安来表示的，提高功率因数后，发电机、变压器等设备可以增加有功出力： 对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储藏，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络己趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说那么能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。假设变压

12、器容量为，当功率因数由伊提高到缈时，可挖掘出的设 哈尔滨工程大学硕士学位论文备容量为品竺垩一，可增加有功出力为：。因此， 扩使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的根本电费。 降低功率损耗和电能损耗 当有功负荷不变时，功率因数越高，负荷电流越小，而电力设备的损耗与负荷电流的平方成正比。假设输配电线路上输送功率，输送端电压为，线路电阻为，那么在线路上的有功损耗：；。即线 口路功率损耗与够的平方成反比，功率因数越高，有功功率损耗就越小。 改善电压质量 假设输配电线路的电阻为，电抗为，输送功率为歹，其电压损耗：。功率因数高，就小，压降就减小，即在受电端的 “电压就稳定。国内外研究的现状研

13、究现状 为提高供电设备效率，减少供电线路电能损失，国内外白上世纪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到达减少线路电压损耗、提高供电设备利用率的目的，这种方法适用于居民、商业及小型工厂的低压供电系统；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，这种方法适用于大型工厂中的无功功率补偿。对电力无功控制问题，国内外作了大量的研究，取得极为可观的成果，有传统方式的电力无功自动控制装置，有以模糊理论和神经网络为根底的电力无功综合控制。近年来国内外专家、学者提出了许多基于新理论新方法的电力无功

14、控制装置，己有一些产品应用于生产，取得了不少珍贵经验。概括起来讲，对变电站电力无功控制的研究主要有两方面，即离线优化和实时监控。离线优化是根据专家经验或由计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无 哈尔滨工程大学硕士学位论文功负荷预测根底上进行优化计算，得出第二天的调节方案，由调度下发给各站，调节方案以小时为闻隔，很不精确，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为根底的，当预测数据不准时调节方案就失去了意义。实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规那么调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自的允

15、许范围之内。 目前，国内外有很多厂家生产研制无功自动控制器，其结构根本上都是由四局部组成：检测单元、主控单元、执行单元、电源，如图所示。其工作原理是：检测单元检测电网参数电压、功率因素等，送到主控单元，主控单元根据一定的投切算法，计算电容器的下一个投切状态，发出命令，执行单元执行此命令，对电容器进行投切。控制器投切判断方式有以下几种： 按照功率因数投切电容：当功率因数低于设定值时，投入电容：反之，当功率因数高于设定值或电流超前时，那么切除补偿电容。这种方式未考虑投切电容器组对母线电压的影响，而且当负荷较轻时，较小的无功功率变化会引起功率因数的变化，存在动作频繁的问题。因此应设定一个电流下限，当

16、小电流负荷很轻时，应该闭锁电容器，以免产生投切振荡。 按照电压投切电容：当供电电压低于设定值下限时就投入电容，当电压高于设定值上限时，电压器切除。按照无功和电压的关系，补偿装置能够使电压稳定在一个范围内。但是，这种补偿方式可能造成无功倒送，功率因数超前，而且在小电流时也应该闭锁电容。 根据电压、时间序列的复合控制。根据变电站的日负荷曲线，将每天分为多个负荷时段，根据不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调压和投切并联电容器组。该方法适应性差，只适合负荷较稳定的场合，且负荷时段的划分必须随季节和负荷的变化而调整。 按电压和无功功率进行综合控制。根据母线电压和无功功率将运行情况分为九个区

17、域，在不同区域采用不同的控制对策，综合利用有载调压变压器分接头开关和投切电容器组两种手段将母线电压和无功功率控制在各自允许范围之内。该方法主要用于变电站，综合考虑电压和无功功率，是目前变电站采用最多的控制方法，但在某些情况下也存在动作过于频繁的问题，在有些情况下甚至会引起振荡，因此如何尽量减少动作次数是该方法要解决一 一鼍一 的主要问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 针对上述动作过于频繁的问题，出现了应用人工智能技术，通过对 电压、无功功率进行预测来减少动作次数的方法。该方法先根据历史数据应用人工神经元网络对无功负荷进行预测，然后将预测结果连同当前的 母线电压、无功功率、功率因数等经模糊化后作

18、为另外一个人工神经元网络 的输入，该筒州的输出即为调节动作的决策。该方法计算复杂，对硬件要 求很高，而且其动作是否合理尚依赖于人工神经网络进行训练工作的成功与 否。到目前为止，该方法未得到广泛应用。 无功补偿方案 变电站集中补偿方式 在这种方式下，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等， 主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端电压。补偿装置一般连接在变 电站的母线上，优点是管理容易、维护方便；缺点是对配电网的降损 起不到什么作用。 低压集中补偿方式 目前，国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式，是在配电变压器 侧进行集中补偿。在这种方式下，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电 容器柜

19、，容量在几十至几百千乏不等，它是根据用户负荷水平的波动，投入 相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因 数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用， 也保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户 承当。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容 器的自动投切，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。这 种补偿方式虽然利于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。因为线 路电压的波动主要由无功量变化引起，而线路的电压水平由系统情况决定。 当线路电压基准偏高或偏低时，无功功率的投切量可能与实际需求相差

20、甚远， 可能出现无功功率补偿过多或补偿缺乏的情况。对配电系统来说，除了专用 变压器之外，还有许多公用变压器，而面向广阔家庭用户及其他小型用户的 公用变压器，其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功功率集中补偿那么是 哈尔滨工程大学硕士学位论文不现实的，难维护、控制和管理，容易成为生产平安隐患。这样，配电网的补偿度就受到了限制。 杆上无功补偿方式 把户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上或另行架杆的方法来进行无功补偿，以提高配电网功率因数，到达降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置，控制本钱高，维护工作量大，受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功功率优化补偿原那么是：补偿点宜少；控制方式从简；补偿容量不宜过大；接线宜简单；保护方式也要简化；壬防止电容器安装后产生谐振现象。 显然，杆上无功补偿主要是针对 馈线上沿线的公用变压器所需无功功率进行补偿，因这种补偿方式具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长距离配电线路，但是因负荷经常波动，而该补偿方式又是长期固定补偿，适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线路重载情况下，补偿度一般是不能到达。 用户终端分散补偿方