低压动态无功补偿的毕业设计

1、 本科生毕业设计（论文）题 目：低压动态无功功率补偿装置的设计 学生姓名： 韩玉倩 系 别： 机械与电气工程系 专业年级： 2008级本科四班 指导教师： 朱玉华 2012年 5 月 19 日摘 要随着现代工业的飞速发展，电力系统负荷的增加对电能质量的要求越来越高和无功功率的需求也日益增加，无功补偿是电能质量的重要保证。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，使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能是向感性负载设备就近提供无功功率。由于用电设备中感性负载设备用电量占整个用电量的三分之二以上，显然针对感性负载提供无功功率对于降低线损，降低供电

2、设备容量，改善供电线路的功率因数以及稳定电力系统的电压起到至关重要的作用。文章介绍了有关于无功补偿的概念、意义，阐述了国内外无功补偿的现状与发展趋势，及其一些基础知识，并介绍了基于TSC的无功补偿器，最后介绍了无功补偿的发展前景。关键词：无功补偿；功率因数；TSC；发展前景ABSTRACTWith the rapid development of modern industry， electric power system load increases to the electric power quality requirements of the more and more high an

3、d reactive power demand is increasing， the reactive power compensation is the important guarantee of power energy quality Transmission of reactive power in electric network will cause the network loss and step-down voltage, make the energy utilization rate greatly reduced and the serious influence t

4、he quality of power supply. In the low voltage power supply system， low voltage reactive compensation device is the function of the inductive load equipment near to provide reactive power Because the electric equipment to the perceptual load of the total power consumption equipment of power consumpt

5、ion of the two-thirds apparently targeted perceptual load provide reactive power for reducing the line loss， reduces the power supply equipment capacity and improve the power factor of power lines and power system voltage stability of play a crucial role This paper introduces about the reactive powe

6、r compensation of the concept， significance， expounds the reactive power compensation at home and abroad and the present status and development trend， and some basic knowledge， and introduces the reactive power compensation based on TSC is finally introduces the development prospect of the reactive

7、power compensation Keywords：Reactive power compensation，Power factor， Switched Capacitor，prospects for development 目 录前言5 第一章 绪论 6 1.1无功补偿的意义 6 1.2无功补偿问题 71.3低压电网中无功补偿的必要性 7第二章 无功功率 92.1无功功率概念 92.2无功补偿的方法 11 无功补偿装置的分类 112.2.2无功功率补偿装置的发展概况 12并联容性补偿的方法 122.3无功补偿容量的确定 16第三章 无功功率与功率因数 183.1功率因数 183.2影响功

8、率因数的因素 193.3提高功率因数的意义 20提高功率因数的意义 20提高功率因数和无功补偿 203.4 无功补偿的效益21 节省企业电费开支21 提高设备的利用率21 降低系统的能耗22 改善电压质量22第四章 基于TSC的无功补偿 234.1晶闸管投切电容器23 概述23 晶闸管阀23 补偿电容器23 过零触发244.2 TSC主接线 244.3 TSC的检测系统274.4 TSC的控制系统274.5 TSC的应用现状、问题与解决方案 28第五章 无功补偿的发展 31第六章 结论 35参考文献36致谢37前 言无功补偿在低压电网中的配比及作用是维持电流顺畅的重要条件因素，也是提高电网工作

9、效能的核心因子。供电过程中注意无功补偿的合理运用,可以获得最好的技术和经济效益。功率因数是供电系统重要的参数，用户功率因数的高低直接关系到电力电网中的功率损耗，关系到节约电能和整个供电区域供电的质量，同时也影响到企业的经济效益，因此功率因数的提高，已成为电力系统中的重要课题。功率因数不高的主要原因是近年来，随着国民经济的跨跃式发展，电力负荷的快速增长对无功功率的需求也大幅度上升，无功补偿为改善电压质量起着重要作用。同时， 随着粗放型经济向高科技、高技术转变， 对电能质量的要求也显著提高， 而配电网中整流器、变频调速装置、电孤炉以及各种电力电子设备的大量应用。由于这些设备或负荷具有非线性、冲击性

10、和不平衡的用电特性， 对供电质量造成严重污染， 对电力系统的安全运行形成了严重危害， 特别严重的是谐波极易造成系统发生某次谐波的谐振， 使系统产生过电压， 危及系统和设备安全运行。而无功补偿的主要装置并联电容器组对谐波起着放大作用。因此，有源滤波已受到各方的重视。一般情况下，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，并且为了减少有功损失和电压降落，不希望大量的无功功率在网络中流动。所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。随着现代电力电子技术的发展，在工业中大量使用各种开关器件，在用电设备和电网之间有着大量的无功

11、功率的往复交换，同时产生大量的谐波，使供电品质下降，谐波使电能的生产，传输和利用效率降低，使电气设备过热，产生震动和噪声，电器过压烧毁，更为危险的是谐波引起继电保护和自动控制装置误操作，造成更大的电气损坏。国内用于动态补偿的控制器，与国外同类产品相比有较大的差距，一是在动态响应时间上较慢，动态响应时间重复性不好；二是补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体投资费用高。另外，相应的国家标准也尚未达到，这方面有待于发展。第一章 绪 论1.1无功补偿的意义随着我国经济改革的不断深入，经济发展速度越来越快，工业企业数量发展迅速，人民生活水平不断提高，这导致电力负荷

12、的增长速度迅猛，相比较而言，发电机的装机容量和输配电能力显得不足，致使全国的多数省份出现供电紧张的“电荒”情况，尤其是经济发达地区和一些用电负荷较大的大中型城市。更有甚者部分省、市的用电高峰期出现了采取拉闸限电以保证电网正常运行，严重制约了国民经济的发展，也给人民群众的日常生活带来极大不便。在各种不同的工矿企业以及人民日常生活的用电中，都不同程度的存在着功率因数偏低的现象。如工矿企业建设时供电容量都较大，如果企业没有满负荷运行就会出现功率因数偏低的现象。电力系统的用电负荷主要分为感应电动机、变压器、感应电炉与电弧炉、电焊机和电焊变压器、整流设备等，这些用电设备在消耗有功功率的同时都会消耗大量的

13、无功功率，造成电网功率因数偏低。就我国来说，电动机所耗的电能占整个工业用电的6070。根据上海市的统计资料，仅风机、水泵两项就占工业用电的40左右，加之其他种类的电动机负载，整个电动机的耗电量超过全部工业用电的60以上。大量的感性负载的使用使得电网必须提供足够的无功容量来满足负载要求，否则会造成电网电压降低，电网供电质量下降的不良后果。感性负荷分布的不规律性也要求电网根据负荷情况合理分配无功，否则容易形成大量无功功率在电网的流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同时也增加了供电成本，影响电力系统供电的经济性，尤其是在我国的农网供电区域内，变电站数量少，供电线路覆盖面积大，长距离供电成为一种

14、普遍的现象，过低的功率因数使得线路损耗增大，供电网末端电压下降较大，这也间接的提高了供电成本。解决上述问题的一个简单而行之有效的办法就是对电网进行无功功率补偿。电力系统无功功率主要来源就是采用各种无功补偿设备，本着尽可能就地补偿的原则在各个环节对电网进行无功功率补偿。随着电子技术的发展，无功补偿设备越来越智能化，带有微处理器控制器的智能无功补偿设备在电力系统中的应用越来越广泛，本课题就是在这种背景下提出来的。试图就高性能、多功能的智能低压无功补偿装置的设计进行有益的探讨。1.2 无功补偿问题无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低

15、能耗，改善电网电压质量。电力系统生产和消费的电能分“有功电力”和“无功电力”两种。有功电力是实际做功的电力，无功电力是不做功的电力，在数值上等于无功功率与时间的乘积。无功功率主要是电动机、变压器等用电设备工作时建立交变磁场用的，并非“无用”或“可有可无”。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率，它与电力系统运行的经济性和电能质量有重大的关系。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。电网中无功不平衡主要有两方面的原因：一方面是输送部门传送的三相电的质量不高，一方

16、面是用户的电气性能不够好。在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。现如今大部分用电设备为感性负载，自然功率因数较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需由电源输送的无功功率。功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，通过合理采用无功补偿技术，可以减少无功功率在电网中的流动。为了减少无功功率在电网中的流动，提高企业无功功率补偿装置的经济效益，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则。借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提

17、高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。1.3 低压电网中无功补偿的必要性 无功补偿是稳定低压的必然选择 ，电压的稳定是电网输送过程中的重要条件,也是电力输送质量不可缺少的方面。 无功补偿有利于降低系统的能耗 ，我们可根据P= IUCOS的计算公式来测算无功补偿降低电力系统能耗的作用情况。根据I1/I2= cos2/cos1来计算,线损 P减少的百分数为:P%=(1-I2/I1)100%=(1-cos1/ cos2)100% ,也就是说当功率因数从0.75提高到0.90时，由上式可求得有功损耗将降低25%40%。这是意想不到的效果。 无功补偿是企业开支节流的有效途径 ，根据国家电价制度,

18、对不同企业的功率因数有不同的要求，并按照不同的数值进行梯度收费。对此，很多企业特别注重对机器设备的节能保养，以便减少开支。无功补偿的运用则可达到上述要求，能够帮助企业减少在正常开机后的损耗，节约成本。 无功补偿能够稳定电压 ，根据电压损耗的计算公式可知，变压器的电压几乎全为输送的无功功率Q产生的，无功功率Q在电压稳定中具有不可替代的作用。对此,若在输电过程中，尽量地减少无功功率Q，则不仅能够保持电压的稳定，还能够保证大型电动机的顺利起动。第二章 无功功率2.1 无功功率概念无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。在直流系统或者纯阻性负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补

19、偿问题。在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机能、光能、热能)的电功率，有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率，无功功率的符号用Q表示，单位为乏或千乏。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就

20、是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：(1)降低发电机有功功率的输出。(2)降低输、变电设备的供电能力。(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

21、(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。 U 图2-1 无源一端口网络对于如图21所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的端口，设电路中正弦交流电压为 （2-1）端口等效负载为，则流过负载电路中的电流为 （2-2） 当负载不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值，即此

22、时电流表示为 （2-3）此时电路的有功功率就是其平均功率，即： （2-4）则 （2-5） 可以看出，有功功率不再是电压和电流的有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。电路的无功功率定义为： （2-6） 无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会像有功功率那样被消耗掉。电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即： （2-7）视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。从上式（25）（26）（27）可以

23、看出，无功功率、有功功率、视在功率在数值时上满足如下关系：在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即0。无功功率Q0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无功功率；当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时0，无功功率Q0，我们说网络“吸收”容性无功功率，也可以说是“发出”感性无功功率。无功功率的“发出”和“吸收”不同于有功功率的发出和吸收，这只是一种习惯说法而已。2.2 无功补偿的方法 无功功率补偿的分类无功补偿有很多种类：从补偿的范围划分可以分为负荷补偿与线路补偿，从补偿的性质划分可以分为感性补偿与容性补偿，从补偿的方式划分可以分为

24、串联补偿与并联补偿。 串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。 系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸

25、变等危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977 年提出分相控制的静止无功补偿器的方法后开始的。分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注。无功功率补偿装置的发展概况早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同

26、步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年代以来，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着重要作用，但它属于旋转设备，运行过程中的损耗和噪声都比较大，维护复杂，且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，目前在现场仅有少量使用。并联无功补偿电容器具有结构简单、经济、方便等优点，按电容器安装的位置不同，通常有三种补偿方式：集中补偿、分组补偿、就地补偿。一，集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的610kV 母线上，用来提高整个变电所的功率因数，保障供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压

27、线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。二，分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或终端配电所高压或低压母线上，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅补偿容量和范围相对小些，但补偿效果比较明显，采用比较普遍。三，就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感用电设备附近，就地进行无功补偿，这种补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。若能将这三种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的经济效益。并联电容器的缺点是只能补偿固定无功，且容易与系统发生并联谐振，导致谐波放大，但是并联电容器在其它方面的优势突出，因此到目前为止仍

28、是我国主要的无功补偿方式。并联容性补偿的方法所谓并联容性补偿就是指在线路中接入并联连接的设备，用于向线路中提供容性的无功电流。由于容性无功电流超前电压90，而感性无功电流滞后电压90，因此容性无功电流可以抵消感性无功电流。又由于电网中的负荷绝大多数是感性负荷，因此在电网中用于负荷补偿的装置绝大部分是并联容性补偿。从另一个角度去看，我们可以将无功补偿装置看成是发无功电流的设备，负荷是吸收无功电流的设备，无功补偿装置所发的无功电流用于供应负荷吸收的无功电流。因此，总是将无功补偿装置安装在负荷的上端（电源端）。在完全补偿的情况下（上端功率因数=1），无功电流只在无功补偿装置与负荷之间的线路中存在，在

29、无功补偿装置以上的线路中没有无功电流。（1）同步调相机调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它只输出无功电流。因为不发电，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。当减少激磁电流时，其输出的容性无功电流减少。当激磁电流减少到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。当激磁电流进一步减少时，输出感性无功电流。调相机容量大、对谐波不敏感，并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点，因此调相机对于电网的无功安全具有不可替代的作用

30、。由于调相机的价格高，效率低，运行成本高，因此已经逐渐被并联电容器所替代。但是近年来出于对电网无功安全的重视，一些人主张重新启用调相机。（2）并联电容器并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置。自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。另外，并联电容器属于恒阻抗元件

31、，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。（3）SVCSVC的全称是静止式无功补偿装置，静止两个字是与同步调相机的旋转相对应的。国际大电网会议将SVC定义为7个子类：机械投切电容器（MSC）机械投切电抗器（MSR）自饱和电抗器（SR）晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管投切电容器（TSC）晶闸管投切电抗器（TSR）自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）根据以上这些子类，我们可以看出：除调相机之外，用电感或电容进行无功补偿的装置几乎均被定义为SVC。因此，目前一些资料或者广告中大量出现“SVC”字样，其原因不外乎两条：其一是作者自己并不明白SVC的定义，其二就是以普通人不

32、懂的字母组合故弄玄虚。对于TSC我们另文叙述，这里只简要介绍一下晶闸管控制电抗器（TCR）和自饱和电抗器（SR）。(1) 具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR)这种装置是最早的一种静止无功补偿装置，早在1967 年，这种装置就在英国制成。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁芯的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁芯的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。但是这种装置中选用的饱和电抗器造价高，约为一般电抗

33、器的4倍，且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁芯损耗大，比并联电抗器大23 倍，另外这种装置有振动和噪声，调整时间长、动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。（2）这种装置是利用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流，从而达到调整无功功率的目的。TCR的基本结构包括一组固定并联连接在线路中的电容器和一组并联连接在线路中用晶闸管控制的电抗器，通常将电抗器的容量设计成与电容器一样。由于电抗器是用晶闸管控制的，其感性无功电流可以变化。当晶闸管关断时，电抗器没有电流，而电容器固定连接，因此整套装置的补偿量最大。当调节晶闸管的导通角时，电抗器的感性电流就会抵消一部

34、分电容器电流，因此补偿量减少，导通角越大，电抗器的电流越大，补偿量就越小。当晶闸管全通时，电抗器电流就会将电容器电流全部抵消，此时补偿量为0。在TCR中，当晶闸管的导通角小于90时，电抗器的电流非正弦含有谐波成分，因此必须将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器。其单相原理图如图11 所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为9001800。当触发角= 900时，晶闸管全导通，导通角=1800，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式： （） （2-8）可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，

35、这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。 U(t)t）SCR L 图 2-1 TCR型补偿器原理TCR 型动态补偿方式具有以下优点：从0到最大功率连续可调；可以根据电网负荷情况分相调节；电路简单，便于操作维护。不可避免的也具有一些缺点：在运行中会产生谐波；占地面积大；电容、电抗器和晶闸管容量都是按系统最大冲击无功功率来配备，设备投资大；从实际情况看，跟踪补偿装置大部分时间处于零或低无功功率补偿状态，最大功率运行能耗大。单独的TCR 只能吸收无功功率，不能发出无功功率，为了解决此问题，通常将并联电容器与TCR配合使用构成

36、无功补偿器。根据投切电容器元件的不同，又可分为TCR 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有TCR 型的补偿器反应速度快、灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。（3）STATCOMSTATCOM是一种使用IGBT、GTO、或者SIT等全控型高速电力电子器件作为开关控制电流的装置。其基本工作原理是： 通过对系统电参数的检测，预测出一个与电源电压同相位的幅度适当的正弦电流波形。当系统瞬时电流大于预测电流的时候，STATCOM将大于预测电流的部分吸收进来，储存在内部的储能电容器中。当系统瞬时电流

37、小于预测电流的时候，STATCOM将储存在电容器中的能量释放出来，填补小于预测电流的部分，从而使得补偿后的电流变成与电压同相位的正弦波。 根据STATCOM的工作原理，理论上STATCOM可以实现真正的动态补偿，不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合。并且可以进行谐波滤除，起到滤波器的作用。但是实际的STATCOM由于技术的原因不可能达到理论要求，而且由于开关操作频率不够高等原因，还会向电网输出谐波。STATCOM的结构十分复杂，价格昂贵，可靠性差，损耗大，目前仍处于研究试用阶段，没有实际应用价值。2.3无功补偿容量的确定无功补偿装置的用途就是为电网补偿无功功率，但是对电网的无

38、功补偿容量不是随意的，需要根据电网的运行情况来确定，因此确定无功补偿容量成为必不可少的步骤。确定无功补偿容量最直接的方法就是从提高功率因数的需要来确定补偿容量。如果补偿线路有功功率为P1，补偿前的功率因数为cos1，补偿后的功率因数为cos2，则补偿容量可以用下述公式计算： （2-9）上式中表示线路中需要的补偿容量。对于补偿后的功率因数cos2的设定要适当，通常设为0.91.0之间的某个合适的值，该值不宣设的过高。例如对于一个有功功率为100kw功率因数为075的待补偿线路，如果将功率因数补偿到0.9，按照式210计算所得的补偿容量为39.8kvar，如果将功率因数补偿到1.0，计算所得的补偿

39、容量则为882lkvar，可以看出，在超过0.9的高功率因数下进行无功补偿其效益将显著下降。所以可能的情况下可以将补偿后功率因数适当设置的低些。对于并联电容器组补偿方式来说，电力电容器组额定容量与其接线方式有关。对于三相电路，电容器容量为： （2-10）上式中 表示电容器容量kvar f表示交流电网频率，f=50HZ U表示相电压 KV C为单相电容器电容值F对于三相三角形接线的系统，线电压等于相电压，而对于三相星形接线的系统，线电压等于相电压的倍，对于同样的电容器组三角形接线的无功出力是星形接线的3倍，这也是将并联电容器组以三角形连接并联于电网的原因。 第三章 无功功率与功率因数3.1 功率

40、因数功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用COS表示。一个供电设备的供电容量通常是用视在功率表示，字面意思就是我们所能看到的功率，即表见功率，但不是真实功率，它的真实功率是由视在功率和功率因数的乘积决定的。所以说功率因数是一个非常重要的供电指标，而视在功率是由有功功率的平方与无功功率的平方和，开跟号得到的。视在功率确定后，有功功率分量高就称为功率因数高，有功功率分量低就称为功率因数低，有功功率和无功功率都是靠发电机发出的，然而用电设备所需要的功率会因设备的感性和容性不同而不同，当用电设备是感性时，用电设备的电压会超前电流90；当用电设备

41、是容性时，电流超前电压90，两个分量将在一条直线上，但方向相反，用电设备中感性的居多，所以这就需要一个容性的负荷进行无功补偿了。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角的余弦来表COS示。COS称为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为： (3-1) (3-2) COS功率因数；P有功功率，kW；Q无功功率,kvar；S视在功率,kVA；U用电设备的额定电压,V；I用电设备的运行电流,A。功率因数分为自然功率因数、

42、瞬时功率因数和加权平均功率因数。(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。(2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。(3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为： (3-3) 3.2影响功率因数的因素功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功

43、率外，还需要无功功率。当有功功率P 一定时，如减少无功功率Q ，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q =0 时，则其功率因数1 。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 。异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运

44、行或长其处于低负载运行状态。供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无

45、功的就地平衡，达到降损节能的效果3.3提高功率因数的意义 提高功率因数的意义由以上论述可以看出，要使发电厂和供电所更有效利用资源进行电能的转换和传输，就必须合理的进行有功功率和无功功率的分配，在无功功率配置合理的情况下，尽量的多发有功，减少无功功率的输出。那就要提高用电设备的功率因数。当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大即功率因数的降低，就会引起：系统中输送的总电流增大，使电气元件，如变压器、电抗器、导线等容量增大，从而扩大了企业投资；由于无功功率增大，造成输电电流增大，从而也会增大供电设备的有功损耗；因为系统中的总电流增大，所以电压损失增大，造成调压困难；对发电机来说，转

46、子温度升高，发电机达不到预期出力；由于系统电流增大，系统电压降低，会造成其他设备不能正常出力。所以，我们必须提高供电系统的功率因数。3.3.2提高功率因数和无功补偿企业的感性负荷大部分是异步电动机，运行时要消耗一定的无功功率，使得电动机和输电线路的电流增大，如果给电动机增加就地补偿电容，不但可以使线路及配电装置的输送电流减小，而且还可以减少有功损耗，减少初期的投资容量。下面给出异步电动机的无功补偿计算公式，以供大家参考：设补偿前电动机的无功功率为Q1，补偿电容器后的无功功率为Q2，则补偿电容器的无功功率为: Qc=Q1-Q2=P1(tan1-tan2) (3-4) P1、P2为电动机运行时输入

47、/输出的有功功率；1、2为电容器补偿前后的功率因数角。补偿前的功率因数：cos1=(cose)1/k， （3-5）式中cose为电动机额定负载时的功率因数，可从产品目录中查得，k为电机定子电流负载率，k=I1/Ie，其中I1为电机运行时的实测定子电流（A），Ie为电机的额定电流（A）。补偿后的功率因数一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不经济。 3.4 无功补偿的效益在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.700.85 之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%90%,如果把功

48、率因数提高到0.95 左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。无功补偿的经济效益主要体现在减少无功功率在电网中的流动，提高电力系统有功输送容量和供电能力，降低输电线路因输送无功功率造成的输送线路损耗，节省投资，在有限的输电网络中最大可能地为用户输送更多地有功电能等几个方面。 节省企业电费开支。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达到的不同数值，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，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。 提高设备的利

49、用率。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备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，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则能降低设备容量，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。因此，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基本电费。 降低系统的能耗补偿前后线路传送的有功功率不变，P= IUCOS，由于COS提高，补偿后的电压U2 稍大于补偿前电压U1,为分析

50、问题方便，可认为U2U1 从而导出I1COS1=I2COS2。即I1/I2= COS2/ COS1,这样线损 P 减少的百分数为：P%= (1-I22/I12)100%=（1- COS21/ COS22）100% （3-6）当功率因数从0.700.85 提高到0.95 时，由(3-6)式可求得有功损耗将降低20%45%。以广东省中山供电局李铨怡的文章“低压无功补偿的综合经济效益”中所写数据为例，按中山供电局电网的供电量，根据有代表性的五个1lOkV变电站无功补偿的节能计算，在l0kv系统装设10000kvar集中补偿，可在llOkV网络中获得年节电60万kwh电之利。如果在380v低压系统中装

51、设同样多的无功补偿，则在110kv及以下电网中，年节电量达80万kwh。这就等于给地方系统节省80万元电力建设资金。也就是说，每降损1kwh，可节省电力建设费1元。而给新用户输送的80万kwh年电量，不需增加运行费,可以看出，其经济效益明显。 改善电压质量以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则：电压损失U 为：U=（PR+QX）/Ue10-3(KV) 。两部分损失：PR/ Ue输送有功负荷P 产生的；QX/Ue输送无功负荷Q 产生的。配电线路：X=（24）R，U 大部分为输送无功负荷Q 产生的。变压器：X=（510）R， QX/Ue=(510) PR/ Ue 。变压器U 几乎全为输送无功负荷Q 产生的，可以看出，若减少无功功率 Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过3%）。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用。第四章 基于TSC的无功补偿4.1 晶闸管投切电容器 概述 晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)是一种利用晶闸管作为无触点开关的无功补偿装置，它根据晶闸管能够精确触发的特性，快速平稳地投入