基于PLC的低压动态无功补偿控制系统(SVG)

1、天津城市建设学院 本科毕业设计说明书 基于plc的低压动态无功补偿控制系统(svg) control system of low-voltage dynamic reactive power compensation based on plc 学生姓名：苗延生 学生学号：10761114 专业名称：电气工程及其自动化 指导教师：顾贵芬（讲师） 控制与机械工程学院 2012 年 6 月 8 日 独创性声明 本人声明所呈交的毕业设计是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。 毕业论文作

2、者签名： 签字日期： 年 月 日 毕业设计版权使用授权书 本毕业设计作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留 并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 （保密的毕业设计在解密后适用本授权说明） 毕业设计作者签名： 指导教师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 日 摘 要 近年来，随着电力电子技术的发展，非线性负载的冲击性和不平衡性使电 网的无功损耗增加，而电网中无功功率的传输会造成网络损耗以及受电端电压 下降，大

3、量的无功功率在电网中的传输使电能利用率大大降低且严重影响供电 质量。因此在电网中装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。 本文采用目前最先进的无功补偿技术，静止无功发生器（svg）,对0.4kv低 压侧电网进行动态无功补偿。本文首先介绍了国内外当前的无功补偿技术，对 无功补偿的原理进行了深入的分析。在此基础上，设计出了基于plc的低压动态 无功补偿控制系统(svg) 。在硬件方面，本文采用功率单元投切控制，与常见 的直接交流电容控制方案相比较，投切的更准确，避免出现失误。在软件上， 利用plc编程控制，抗干扰能力更强，速度更快。遵循模块化设计的原则，提高 了系统的通用性并易于以后的维护

4、与升级。 关键词：无功补偿；plc；svg；功率单元 abstract in recent years， along with the power electronic technology development， the nonlinear load balance and the impact that the reactive power loss increases， and the power of reactive power transmission will lead to network loss and step-down voltage， large numbers o

5、f reactive power in the transmission grid to greatly reduce the energy utilization rate and the serious influence the quality of power supply. so in the power of reactive power compensation devices become meet the demand of the reactive power necessary means. static var generator, the most advanced

6、dynamic reactive power compensation haven been used for the compensation on the 0.4kv low pressure side of the grid. in this paper. this article first introduces the current reactive power compensation of domestic and international, and does a in-depth analysis of the reactive power compensation pri

7、nciple. on this basis, a method have been designed used to control the reactive power compensation. in terms of hardware, reactive power switching control been adopted in this paper. compared to power factor control scheme, switching control will be more accurately, and can to avoid mistakes. the so

8、ftware design adopts the plc software programming to control. it is more accurate and higher accuracy than the normal single-chip control. we use the method of modularization which can improve the universal trait of the program and simplify the devices maintenance. key words：reactive compensation；pl

9、c；svg；capacitance 目 录 第 1 章 概述.1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 无功补偿研究及发展趋势.1 1.3 本文的研究目的与意义.5 1.4 开发设计方案.5 1.5 本文的主要工作.6 第 2 章 无功补偿的原理.8 2.1 无功补偿的概念.8 2.2 无功的分类.8 2.3 功率因数.9 2.4 无功补偿.10 2.5 无功补偿的作用.10 2.6 无功补偿的原理.11 2.7 电能的损耗.12 2.8 无功补偿的方式.13 2.9 电网参数测量算法研究 .14 第 3 章 硬件设计.17 3.1 硬件概述.17 3.2 plc 和其扩展模块的选择.17 3.

10、2.1 plc 软件介绍.17 3.2.2 模拟量扩展模块 em235 的技术数据.19 3.3 检测电路设计.23 3.3.1 概述.23 3.3.2 相位的检测.24 3.3.3 电压模拟量的检测.28 3.3.4 电流模拟量的检测.29 3.4 plc 控制电路设计.30 3.4.1 plc 的输入输出端口分配.30 3.4.2 plc 的的接线电路设计.31 3.4.3 主电路设计.33 第 4 章 软件设计.35 4.1 编程软件的介绍 .35 4.2 程序设计 .35 4.2.1 主程序.35 4.2.2 数据采集子程序.35 4.2.3 程序显示.36 4.2.4 系统软件处理总

11、的框图.36 4.2.5 程序.37 第 5 章 实验与总结.39 5.1 实验平台.39 5.2 试验过程.39 5.3 总结与展望.39 致 谢.41 参考文献.42 第 1 章 概述 1.1 课题研究的背景 近年来，随着社会经济的快速发展，现代电力工业取得了的发展，与此同时，电 力电网中的无功功率越来越成为了人们不可忽视的问题。这是由于随着电力电子技术 的飞速发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些 消耗电能的设备在运行的时候不但要消耗有功功率，而且还需要电网给他们提供无功 功率，从而造成电网的功率因数偏低，从而造成： 1增加发电机损耗； 2影响电网系统电压，

12、使电网电压下降； 3影响电网的无功潮流分布； 4无功功率增大导致电力增大，增加电力传输过程中的功率损耗； 5使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发电、输电的能力，使电网 的供电质量变坏，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积的停电。 6电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐波分量，导致供电网络 电压不稳定和谐波干扰增大 据有关报道，我国电网中平均每年由于无功功率过大造成的线损高达 14%，折算 成线损电量约为 1300 亿千瓦时。假设全国电力网总的负载功率因数是 0.85，采用无功 补偿装置将功率因数提高到 0.96，那么每年可以减少电量损失为 240 亿千瓦时。所以 在电网

13、中对电力系统进行无功补偿，这对节约资源和电力系统的安全可靠的运行有着 非常重大的意义。 在此情况下，开发一种低压无功功率自动补偿控制器提供必要的无功功率，以提 高系统的功率因数，降低能量损耗，提高电网中电压运行质量，投切电网中无功补偿 装置，对提高供电质量，改善电网电压，保证电网安全运行都有着十分重要的意义。 无功补偿的作用主要有以下几点: 1提高供用电系统的功率因数，降低电网中的设备容量，减少无功功率损耗。 2稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置 动态补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 3在电气化铁道中等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿

14、可以平衡三相 的有功及无功负载。 1.2 无功补偿研究及发展趋势 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步调相机。同步调相机是专门用来产生无 功功率的同步电动机，能够依据电网需要调节同步电机的励磁，让他运转在过励磁或 欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，故而同步调相机能够对 系统进行动态补无功偿。但是它属于旋转设备，在运转过程中的噪声和损耗都非常大， 运行维护困难，响应速度不快，且成本高，不能满足快速动态无功补偿的要求。并联 电容器虽然简单经济，方便，可是它的阻抗固定，难以跟踪负荷无功需求的变化，也 就不能实现对无功功率的动态补偿。 随着电力电子技术的飞速发展，这些年产生了多种电

15、力系统无功补偿新技术。电 力电子器件向速度快、体积小、功率大进展，使得采用电力电子器件的无功补偿技术 改变了电网中以前大部分只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局势，所以能 够为交流输电网提供连续、高速和非常准确的控制能力。伴随着电力电子器件的不断 的发展，无功补偿控制器在其硬件和功能上也出现不同的发展时期。无功补偿控制器 已经由基于 scr 的无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器、发展到基于 gto 的静 止无功发生器、静止同步串联补偿器、统一潮流控制器、可转换静止补偿器等。 1静止无功补偿器(svc) 目前被多数电网公司应用的动态无功补偿装置是 svc 静止无功补偿器。据不完全 统计，

16、全世界正在运作的这种设备已达到几千台，他们的总容量高达以上 200gvar 以 上。 比较早的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，它是由英国 gec 公司在 1967 年制 成了全世界上第一个饱和电抗器型 svc。饱和电抗器与同步调相机相比，具有很多的 有点，例如静止型，它的响应速度十分快，但因它的铁心需磁化达到饱和状态才能够 运行，从而造成损耗和噪声都十分大。所以没有能在其他的国家占有静止无功补偿装 置的主流。多年之后年美国 ge 公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静补 装置，1978 年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入了实际运行，取得了成 功。在这之后，世界许多电气公司都各自

17、推出了各具特色的静止补偿装置的产品。由 于使用晶闸管的 svc 具有优良的功能，所以在这以后很多年晶闸管的 svc 一直占据 了静止无功补偿装置的重要地位。因此，svc 一般专指使用晶闸管的静补动态无功装 置。 svc 有以下几种形式：饱和电抗器型 （sr 型 svc）晶闸管投切电容器型（tsc 型 svc） 、固定电-容晶闸管控制电抗器型（fc-tcr 型 svc） 、机械投切电容器-晶闸 管控制电抗器型 （mcs-tcr 型 svc） 以及晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器型 （tsc-tcr 型 svc） 。 2静止无功发生器(svg) svg 又称 statcom，即静止无功发生器或高

18、级静止无功补偿器（asvc） ， 它是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用 gto 构成的换相交流器分电压型和电流 型桥式电路两种。由于电压型控制方便，损耗小，因此在实际应用中被广泛采用,通过 调节桥式电路交流侧输出电压的相位幅值或者直接调节其交流侧的电流进行无功功率 的交换。与 svc 相比，其调节速度更快，调节范围更宽，欠压条件下的无功调节能力 更强，因此具有良好的补偿特性。 与 svc 相比，svg 具有以下 7 个优点: 1）占地面积小。svg 占地面积是 svc1/5-1/3； 2）调节速度快。svc：2 到 3 周期，速度过快容易产生谐振。statcom：12 周 波，不大于 4

19、毫秒。svc 里面的电力电子开关元件都是晶闸管，晶闸管在导通期间处 于失控状态，使 svc 每步补偿时间间隔至少约为工频的半个周期，而 svg 采用 gto 作为开关元件，gto 可在 0.0015s 的时间内被关断，所以它的补偿速度要快很多; 3）svc 与 svg 损耗的比较。100m svc 如果需要保持足够的动态无功输出量，正 常时1000m 的可控电抗器（tcr）需运行在满载状态，按2的损耗计算，每天大约 需2.4万度的电能，按0.5元/度计算，每年浪费约500万元，是相同容量 svg 的2-3倍。 如果 tcr 平时运行在空载或者轻载的时候，那么系统电压跌落时无法提供足够的动态 无

20、功支撑，它的作用只相当于一台小容量 svg。svc 和 svg 的损耗比较见下表1-1。 表 1-1 svc 和 svg 的损耗比较 svg 补偿组成 svc 补偿组成 svg 的损耗(万度/年) svc 的损耗(万度/年)补偿容 量 svgfctcrfc最小 0.02% 平均最大 0.33% 最小 0.06% 平均最大 1.0% 2m2m0-2m+2m0.322.775.281.08.516.0 5m5m0-5m+5m0.86.9313.22.521.340.0 8m4m+4m-8m+8m1.2811.0821.124.034.064.0 10m5m+5m-10m+10m1.6013.852

21、6.45.042.580.0 16m8m+8m-16m+16m2.5622.1642.248.058.0108.0 20m10m+10m-20m+20m3.2027.7052.810.085.0160.0 24m12m+12m-24m+24m3.8433.2463.3612.0102.0192.0 30m15m+15m-30m+30m4.8041.5539.6015.0127.5240.0 40m20m+20m-40m+40m6.4055.40105.620.0170.0320.0 50m25m+25m-50m+50m8.0069.30131.225.0212.5400.0 4）可以在从感性到

22、容性的整个范围中进行连续无极的无功补偿调节； 5）svg 根本不需很大容量的电感、电容等元件来储能，它的直流侧所使用的电抗 器和电容元件的容量远比 svc 中使用的小的很多，所以能够很大空间的缩小设备的体 积和成本； 6）谐波含量小。svg 在采用多电平技术、多重化技术或 pwm 技术等技术方法， 能够在很大程度上抑制补偿电流中的谐波含量。 7）性价比高。用输出 100 到 1000mvar 的动态无功为例子：ssvc：50mvar 固定电 容器50mva 链式 statcom：200/kvar 左右;0100mvar svc：200 元/kvar。在功 率半导体器件价格的下降的基础上，svg

23、 的价格有很大的下降空间。再考虑它和 svc 同容量补偿效果的区别还有运行、性能损耗的不同，svg 性价比更高。 3统一潮流控制器(upfc) 将 svg 中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补 偿器 sssc，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台 svg 与一台 sssc 的直流侧通 过直流电容祸合，就构成了统一潮流控制器 upfc，svg 与 sssc 既可配合使用也可 解祸独立运行。 由于 svc，stai，com 只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部 同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时 设备的投资也相当可观。

24、upfc 的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通 过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制， 从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其它无功补 偿装置相比，upfc 控制范围较大，控制方式更为灵活。 统一潮流控制器的基本的概念是由美国西屋科技中心的 guygyi l 在 1992 年的时 候提出的，这被公认为是无功补偿装置中最具代表性的设备。世界上许还多国家也在 开展这方面的研究。美国、法国都在加紧实际装置的研发，美国 inez 变电站已在 1998 年的 138kv 系统上安装了 upfc。我国同时也开展了 upfc 的研

25、究工作，但大部分仅 限于理论的研究方面和数字仿真研究。 由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无 功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置 svc，svg，upfc 及 csc 目前一也处于这样一种发展情况。 作为较早出现的无功补偿装置 svc，由于采用的是传统的半控型器件 scr，成本 低，且技术成熟，因此是目前广泛使用的无功补偿装置。目前对 svc 的研究主要集中 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被引入 svc 控制 系统，使 svc 系统的性能更加提。 而 svg，upfc 及 csc 目前的应用

26、仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方 面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵， 使得目前该类无功补偿装置的工程造价比 svc 高;另一方面，此类无功补偿装置的技术 还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术本身发展迅速，未 来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以 gto 等新型全控器件为 核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关 svc 与 svg 的 性价比的讨论，不少专家认为，由于 svg 不需采用大量的电容器就可以实现无功的快 速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降;相反，电力电子器

27、件的 价格会不断下降，故预计 svg 会比 svc 更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技 术的完善，在不远的将来 svg，upfc 及 csc 将成为无功补偿技术的发展方向。 1.3 本文的研究目的与意义 供电系统常由于感性负载过重，造成感性无功过大，电能质量下降，功率因数过 低。为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运行，常需在低压侧装 设无功补偿装置。 本文针对目前无功补偿控制器及相关技术进行了较为深入的研究，在此基础上， 采用西门子公司生产的 s7-200plc 进行设计研发。通过对 svg 的控制，达到降低电网 无功功率，提高功率因数的目的。还可以降低母线电压损失，提高

28、电网电压水平；补 偿负序电流，降低负序电流对电网的破坏、对设备的损耗；减少母线电压损失，提高 电网电压水平；这种技术可以用在起重机、轧钢、冶金、矿山、轨道交通等行业解决 三相不平衡电压和电流。 1.4 开发设计方案 本设计所依据的主要原始资料为： 山西某煤矿变配电变压器 6kv/400v、容量 1600kva 一台，变压器的负载率在 65%。 左右，主要负载为交流电动机(感性负载)和部分变频器(谐波性负载)，总体的功率因数 在 0.70 左右。为了提高功率因数，减少不必要的电费支出，根据电网参数，设计了一 台自动投切的低压无功动态补偿装置，通过该装置投入使用，节能效果很好，减少了 电费支出电压

29、等级。功率因数提高到 0.95 以上。 本文采用最先进的静止无功发生器研究方法，先用电压互感器和电流互感器，对 电网中的电压电流进行测量，然后由互感器测得的电压和电流传送到模拟比较器中， 再由模拟比较器对电压和电流的波形进行处理，转换成方波的形式，然后由 plc 的 a/d 转换器，将模拟信号的波形输入到 plc 当中。plc 对于输入的信号，取两个波形 的起始点，进行计数，然后计算这两个数之间的时间差，根据电网的周期和频率，将 时间差转换成相位差，这样就可以得到无功功率。plc 将检测到的无功功率和系统设 定的无功功率进行比较，然后发出动作指令，投切电容。让无功功率始终保持在一个 稳定的范围

30、内。然后在试验台上通过模拟来实现所设计的内容。 以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展, 但单片机抗干扰能力较差, 在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。另一方面电压等级越高的变电站其辐射 范围也越大, 故障的波及面也大, 因此系统对它的控制能力、通信能力要求也更高。开 发工具用的 plc 是西门子的 s7-200，s7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大 功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极 为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域。它相对于单片机 来说有很多优点，单片机系统的稳定性不是很高，而且受温度的影响大，有

31、噪音等。 可靠性高，抗干扰能力强，所有的 i/o 口均采用光电隔离，有效使内部电路与外部隔 离，其各模块均采用屏蔽措施，采用性能良好的开关电源，具有良好的自诊断功能， 在大型的 plc 中采用双 cpu 或三 cpu 构成表决系统，是可靠性进一步提高。对于单 片机最大的缺点就是抗干扰的能力差，驱动能力差，需要很多外围设备来驱动，在工 业控制中多采用 plc，此外单片机编程复杂，需要了解单片机的内部结构以及工作方 式。 开发系统的结构框图组成如下： 用户 负荷 0.4kv 电网 开 关 柜 变 压 器 柜 功率 单元 进线柜 控 制 柜 图 1-1 统的结构框图 控制系统采用模块化设计。 plc

32、 控制系统的作用： 能够实时计算电网所需的无功功率，实现动态跟踪与补偿。 并且实现 svg 与控制中心的通讯及上位机的通讯。 检测单元的作用：适时检测电网中的电压和电流，经过波形变换，传送到 plc 当 中，进行无功功率和功率因数的计算。 功率单元的作用：svg 的核心主电路，用以实现功率变换。 变压器的作用：将电网电压变为适合功率单元工作的电压。实现高压与低压的电 气隔离，增加系统可靠性。 控制柜的作用 柜式结构，用于对 svg 及其辅助设备的实时控制。 1.5 本文的主要工作 本文介绍的无功补偿装置整个系统利用 plc 技术、igbt 技术、链式逆变器技术 等来完成。功率单元采用链式结构，

33、多个两电平 h 桥电路串联起来，以达到电压叠加 的目的。在 0.4kv 系统应用时，每相连接多个两电平逆变器模块。svg 由连接电抗器、 逆变器组成，每相电路通过 igbt 变流模块级联， 经过连接电抗器直接接入 0.4kv 电 网。svg 首先通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值，之后充电接触器闭合以短接 充电电阻，充电过程结束，补偿装置并入电网开始工作；并网一段时后，将固定电容 器投入，主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的无功电流，并生成逆 变器所需的 igbt 驱动信号，控制逆变器产生与无功电流幅值相等、相位相反的补偿 电流，从而实现补偿无功的目的。 所以本文的主要工作就是：

34、 1. 电网中的电压和电流进行实时的检测，这里主要用到的就是电压和电流互感器 2. 对检测出来的电压和电流进行降压和改变波形。达到想要的状态。 3. 将调整好的电压电流输入到 plc 当中，通过在 plc 中进行计算，与设定的值进 行比较，然后输出到 svg 系统，自动的对无功功率进行补偿。 第 2 章 无功补偿的原理 2.1 无功补偿的概念 无功功率：电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过 程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过 纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间 流动，由于这种交换功率不对外做

35、功，因此称为无功功率。 从物理概念来解释感性无功功率：由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当线圈 加上交流电压后，电压交变时，相应的磁场能量也随着变化。当电压增大，电流及磁 场能量也就相应加强，此时线圈的磁场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮 藏起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到外面电路中。 交流电感电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。 从物理概念来解释容性无功功率：由于电容器是贮藏电场能量的元件，当电容器 加上交流电压后，电压交变时，相应的电场能量也随着变化。当电压增大，电流及电 场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能

36、量以电场能量形式 贮藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路 中。交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。 2.2 无功的分类 感性无功：电流矢量滞后于电压矢量 90，如电动机、变压器、晶闸管变流设备等。 容性无功：电流矢量超前于电压矢量 90，如电容器、电缆输配电线路等。 基波无功：与电源频率相等的无功（50hz） 。 谐波无功：与电源频率不相等的无功。 将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量;而电感放 出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷(电动机、变 压器等)所吸收的无功功率，可

37、由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容 器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图 2-1 所示。 s s p q q c 1 q2 a a 1 1 图 2-1 无功功率补偿示意图 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 q2，装设无功补偿装置后，补偿无功 功率为 qc，使电源输出的无功功率减少为 q1=q2一qc，功率因数由 cos a 提高到 cos a1，视在功率 s 减少到 s1，如图 2-1 所示。 视在功率的减少可相应减小供电线路的截面和减少变压器的容量，这样就能降低 对电网设备的资金的投入。例如一台 10000 千伏安的变压器，当负荷的功率因数为 0.6 时

38、，可供 6000 千瓦的有功负荷;当负荷的功率因数提高到 0.9 时，可供 9000 千瓦的有 功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多提供 2000 千瓦负荷给负荷 设备用，这个数字是非常大的。 2.3 功率因数 在实际供用电系统中或者电力负荷中并不是纯感性或纯容性的或者纯阻性的，而 是里面既有电感或电容负载、又有电阻的负载。这种感性和阻性负载的电压和电流的 相量之间存在着一些的相位差，相位角的余弦称为功率因数。它的值是有功功率cos 与视在功率之比。 三相功率因数的计算公式为： （式 2-1） 22 cos pp s pq 式中： 功率因数cos p有功功率，kw q无功功率，

39、kvar s视在功率，kva 功率因数被分为加权平均功率因数、瞬时功率因数和三自然功率因数种形式。在 三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率 因数就等于各相的功率因数。 非正弦电路的功率因数： p=ui q=ui s=ui （式 2-2） 1 cos 1 sin 此时非正弦电路功率因数为： （式 2-3） 1 1 cos i i ui p 式中：基波功率因数 1 cos 基波电流 1 i i总电流 由上式可以看出：功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因素决定的。 总电流可以看成由三个分量，基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 2.4 无功补偿 电

40、力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。 有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图 s p q 图 2-2 视在功率，有功功率和无功功率之间的关系 由式 cos=p/s 可知，在一定的有功功率下，功率因数 cos越小，所需的有功功 率越大。为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样，不仅要增 加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为了提高电网的经济运行效率， 根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。 2.5 无功补偿的作用 无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和 提高供电质量，在长距离输电中提高

41、输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功 和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应 减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。 1. 提高电压质量 把线路中电流分为有功电流 ia 和无功电流 ir，则线路中的电压损失: （式 2-4） u qxpr xiriu l lra 33 式中： p有功功率，kw q无功功率，kvar u额定电压，kv r线路总电阻， xl线路感抗， 因此，功率因数提高以后能够降低线路上传输的无功功率 q，若保持有功功率不 变，而 r、xl均为定值，无功功率 q 减小，电压损失降低，从而提高了电压质量。 2. 提高变压器的利用率，

42、减少设备方面的投资。 功率因数由提高到提高变压器利用率为： 1 cos 2 cos （式 2-5） %100 cos cos 1%100% 2 1 1 21 s ss s 由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前提高 s%，可以带更多的负荷，减少 了输变电设备的投资。 3. 提高电力网传输能力 有功功率与视在功率的关系式为： p=s （式 2-6）cos 可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。 2.6 无功补偿的原理 无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括两部分；一时有功功率，二是无功功 率。直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，

43、 这部分功率称为有功功率；不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能 作为电气设备能够作功的必备条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换， 这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的 电能。电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90。而电流在电容元件中作功时， 电流超前电压90.在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180。如果在电 磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压 矢量之间的夹角缩小， 电力系统中网络元件的阻抗主要是感性的，需要容性无功来补偿感性无功。 sr c l . u c . i . i r

44、l . (b)向量图(欠补偿)(a)电路 . u c . i rl . . i c . i rl . (c)向量图(过补偿) 图 2-3 无功功率原理图 将电容并入 rl 电路之后，电路如图（a）所示。该电路电流方程为 （式 2-7）liici r 由图（b）的向量图可知，并联电容后 u 与 i 的相位差变小了，即供电回路的功率 因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。 若电容 c 的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。 其向量图如（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会： 1.引起变压器二次侧电压的升高； 2.容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗； 3.如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影 响电容器使用寿命。 2.7 电能的损耗 线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗 两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导 体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电 网电压等因素有关，约占电网总损耗的 80%85% 。 我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为 2%3%，而我国在 2006 年的线损统计为 7.1%，所以线损的解决显得越来越重要。从前面