[法律资料]10kv无功补偿.docx
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1、1 绪论1.1 概述 无功功率补偿,简称无功补偿,在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作 用,降低供电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。所以无功 功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。 合理的选择 补偿装置,可以做到最大限度的减少网络的损耗,使电网质量提高。反之,如选择 或使用不当,可能造成供电系统,电压波动,谐波增大等诸多因素3。 在配电网中电源供给负载的电功率有有功功率和无功功率两种, 有功功率是用 电设备将电能转换成其他形式能量以保证正常运行所需的电功率, 而无功功率也不 是无用的功率,在电网中作用也很大。接在电网中的大多数用电设备是利用电磁感
2、 应实现能量转换和传递的。如发电机、变压器、电动机等,就是通过磁场来完成机 械能与电能之间的转换的。以异步电动机为例,电机从电网吸收的大部分电功率转 换成了机械功率从转轴上输出给了机械设备,这部分功率就是有功功率;而电动机 还要从电网吸收另外一部分电功率,用来建立交变磁场,这部分功率不是被消耗, 而是在电网与电动机之间不断的进行交换(吸收与释放) ,这就是无功功率。 在电网中没有纯阻性的设备,因而功率因数都在 0 : 1 之间,而大部分用电设备 如电动机、变压器等在运行时因电磁感应原理为建立感应磁场都需要Q0的无功 功率,此外电网中线路线损、变压器自损(铁损、铜损等)也增加不少无功,无功 补偿
3、就是利用电容提供Q0的无功来提高功率因数,减少电网输送的无功功率, 也就是在电能计量表上减少了电能的消耗,达到节能、降损的目的。 因此,解决无功补偿问题,对提高电能质量,降低电网损耗,节约能源有着极 为重要的意义。 1.2 课题研究背景 随着科学技术发展和人民生活水平的提高, 各种类型用电设备得到了广泛的应 用,对电压质量的要求也越来越高。但是,由于配电网结构,运行变化等原因,我 国配电网损耗,电压合格率等技术指标与发达国家相比有较大差距。由于电压不合 格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在, 而网损过高使得生产的宝贵电能白白 浪费,并且影响电力企业的经济效益。无功补偿作为保持电力系统无功功率
4、平衡、降低网损、提高供电质量的一种重 要措施,已被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿,能够有效地维持 系统的电压水平,提高电压稳定性,避免大量无功的远距离传输,从而降低有功网 损,减少发电费用,提高设备利用率,无功补偿的合理应用是电力企业提高经济和 社会效益的一项重要课题。然而,作为无功补偿的一个重要组成部分,低压网的无 功补偿研究,至今仍处在初级阶段7。 无功功率是建立交流电、磁场所需的功率,在交流电力系统的设计和运行中, 无功功率是一个重要因素。对无功功率的补偿研究是十分必要的,原因如下:1. 由于成本的增加,提高电力系统运行效率的要求日益迫切。2.输电网络的扩展已经 受到限制。
5、3.远距离输电要求解决稳定性及电压控制问题。4.工业增长的需求和用 户电子设备的增多, 对供电质量的要求越来越高。 5.直流输电系统的应用研究表明, 在换流器的交流侧应该进行无功控制。 综合来看,随着电网中用电设备的不断变化,以及非线性负荷、冲击负荷、波 动负荷等的存在使得配电网的特性更为复杂,为了适应电网发展的需要,开展无功 补偿的研究具有重要意义。 1.3 无功补偿的研究现状发展趋势 1.3.1 无功补偿的早期发展 电力系统中的功率应时刻保持平衡,无功功率也不例外。无功补偿装置的主要 作用有: (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)稳定受端及全网电压,提
6、高供电质量。在长距离输电线路中,合理地设置无 功补偿装置的位置和补偿容量,能够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平衡的场合, 通过适当的无功补偿可以平衡三相 有功及无功负载。 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表, 它不但能够补偿固定的无功功率, 也能够动态地跟踪无功功率变化进行补偿。随着现代控制技术的不断发展,步调相 机的控制性能有了较大的改善,设备使用的灵活性也有所提高,但仍属于一种比较 陈旧的补偿手段。另一种典型的无功补偿装置是并联电容补偿器。在补偿条件相近的条件下,并联电容补偿器比同步调相机更为经济,因此,电容器补偿装置得到了 非常广泛的使用,但电容
7、器只能补偿固定的无功功率,而且可能因谐波诱发并联谐 振。 此外并联电抗器也是一种重要的补偿手段, 通常是装设在超高压线路和地之间, 改善轻载或空载情况下线路的电压水平。 上述三种无功补偿装置的自动化程度偏低,不能对电网运行参数的变化进行判 断,需要运行人员在运行过程中进行投切操作,当网络变化频次高时操作较频繁, 运行人员会感到吃力,增加了工作量。无功补偿装置的优缺点可以总结为表 1.3。 补偿装置电容器优势缺陷使用最早,原理简单,安装, 不能联系调节, 单一补偿感性 运行,维护方便 无功,负电效应严重 操作复杂, 响应慢, 损耗严重, 维护复杂,噪声污染严重 损耗严重,噪声污染严重, 不 能分
8、相调解,存在特殊情况 表 1.3 早期无功装置比较同步调相器传统装置, 可发出不同大小的 感性和容性无功功率电抗器响应速度1.3.2 无功补偿的近期发展 随着电力电子技术的发展,一些新型无功补偿装置开始涌现。1977 年,美国 CE 公司率先将晶闸管引入到无功补偿装置中,成功研制出静止无功补偿装置 (SVC), 次年又由美国西屋电气公司将静止无功补偿装置投入到电力系统的生产和实践中16。静止无功补偿器的特点是采用不同的静止开关投切电容器或电抗器,目前可以作为投切开关的电力电子设备有交流无触点开关 SCR、GTR、GTO 等,这些器件的响 应时间只需 10s, 比起以断路器做静止开关的传统静止补
9、偿器, 反映速度提高约 500 倍。无论系统处于何种运行方式,静止无功补偿装置都可以在一个周波内完成投切 动作,而且可以进行单相调节。基于上述控制速度快、维护简单、成本较低等多方 面的优点,使用晶闸管作投切开关的 SVC 在电力系统中的应用范围越来越广,占据 了静止无功补偿装置的主导地位。 静止无功补偿装置可以细化为晶闸管投切电抗器(简称 TCR)、晶闸管控制电容 器(简称 TSC)、机械投切电容器(简称 MSC)。在电力工业中,静止无功补偿装置既可以是以上三种类型单独使用,也可是采用其中两个或多个组成混合装置进行使 用,例如晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器混合装置(TCR+TSC),或者晶
10、闸管 投切电抗器与固定电容器混合装置(TCR+FC)以及晶闸管投切电抗器与机械投切电 容器混合装置(TCR+MSC)。尽管静止无功补偿装置具有许多优点,但由于晶闸管的 关断不能控制,开关器件的工作频率低,使得它对电能质量的补偿能力相对减弱, 动态性能难以提高。 静止无功发生器(SVG)属于第三代静止无功补偿技术,也称为静止(STATCOM), 其核心思想是采用电力半导体变流器进行无功补偿9。早纪 70 年代初期便有学者 提出这种补偿方案,但直到 1976 美国学者 L.出一套工业界一致认可的实现方案 自换相的桥式变流电路,并于 1980 年由日本研制出第一台采用强迫换相桥式电路 的 SVG。此
11、后,世界各国开展了大量的研究和探索,目前有关 SVG 的研究领域可以 分为:SVG 的建 SVG 控制模式研究、 结构设计和 SVG 不对称控制研究等多个方面。 SVG 在理论上,根据储能元件的不同,SVG 装置可以分为电压型桥式电路和电流型 桥式电路两种类型。电压型桥式电路的直流侧采用电容作为储能元件,交流侧通过 串联电抗器并入电网;电流型桥式电路的直流侧采用电感作为储能元件,交流侧并 联上电容器后接入电网l7。 但在实际生产中, 大多数 SVG 都是采用电压型桥式电路, 通过大功率电力电子器件高频开关特性实现无功能量的变换, 摆脱了早期无功补偿 装置对大容量电感或电容器件的依赖,更重要的是
12、 SVG 的调节速度比 SVC 更快,运 行范围更宽,对电压闪变的抑制能力更强,而且在采取多重化、多电平或 PWM 技术 等措施后,SVG 补偿电流中的谐波含量大大减小。此外,SVG 使用的电抗器和电容 元件远比 SVC 中使用的电抗器和电容元件要小,这将大大缩小装置的体积和成本。 统一潮流控制器(UPFC)是新一代柔性交流输电装置,是可以同时控制节点电压 和输电线路有功和无功功率的装置。最早由美国西屋科技中心于 1992 年提出的, 其基本思想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,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
13、、移相等几种不同的功能。与其它无功补偿装置相比,统一潮流控制 器(UPFC)控制范围较大,控制方式更为灵活10,13。1.3.3 无功补偿的发展趋势 综合上述这些无功补偿元件,SVC 装置的应用和发展较为成熟,学术界对 SVC 的研究主要集中在控制策略上,例如模糊控制、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,以提高 SVC 系统的性能。而对于 SVG 和 UPFC,受到 技术和经济的限制,还没有大规模应用,尚处在论证阶段。多数学者认为,随着造 价的降低和技术的完善,SVG 和 UPFC 的应用前景非常广阔。电力系统无功补偿技 术的发展趋势可以归为以下几方面: (1)高压
14、系统的要求,在低压系统中该装置的补偿效果比较好,已被广泛应用和 接受。但是由于高压系统中的二极管与晶闸管的抗耐电压的能力受到限制,因此大 大制约了无功补偿技术在高压系统中的应用。现实生活中,高压线路已成为国家工 业化进程和人民生活的重要保障, 因此, 研究发展适用于高压系统的装置迫在眉睫。 (2)智能发展。随着计算机技术的发展,人们越来越希望可以将计算机技术引入 到无功补偿技术中,这样,不但对于装置本身而言可以大大提高其性能参数和工作 效率,还可以提高装置的智能性,降低了工作人员的作业难度和危险系数。 (3)一体化进程与多功能化发展。在补偿无功功率的同时,人们寄希望于将滤波 和抑制谐波的多项技
15、术综合起来应用于一台装置。这样,可以大大降低城市电网、 农村电网和山区电网等安装的成本和操作复杂性,提高工作效率,节省资源,减小 电力损失和空间需求。2 10kV 线路无功补偿的方法和必要性2.1并联电容器补偿无功功率的方法 按无功补偿设备在配电网的安装位置不同, 可以将配电网现有的无功补偿方式 可分为以下四类:变电站集中补偿、低压分散补偿、杆上无功补偿和无功负荷的就 地补偿,如图2.1示。变电站负载 1 负荷负载 n方式一方式二方式三方式四图2.1 10KV输配电系统各种无功补偿方式示意图 2.1.1 就地补偿 用户终端就地补偿方式就是将0.4kV,6kV,1OkV电压等级的电容器与电动机接
16、, 通过断路器、负荷开关、接触器与电动机同时投切的一种补偿方式,主要用于5kW 及以上的电动机无功补偿,特别是年运行小时数比较大(一般大于1000小时),或电 压偏低(如农村电网),或距离变压器较远的情况,通常用户的补偿投资可在1-2年 内全部收回。 其优点是: 随电动机同时投入,同时退出, 不需要频繁调节补偿容量; 不需要配套专门操作和保护监控电容器的电气设备;投资少、占地少、安装容易、 配置方便灵活、维护简单、事故率低等。使用这种方式是电动机无功补偿的首选方 式。运用时必须注意两点:不能过补偿;防止电动机退出运行时产生自激震荡。 它的优点是线损率可减少20%;减小电压损失,改善电压质量,进
17、而改善用电 设备启动和运行条件;释放系统能量,提高线路供电能力。缺点是就地补偿通常按 配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量, 而各配电变压器低压负荷波 动的不同时性造成大量电容器在较轻载时闲置,设备利用率不高。 2.1.2 杆上无功补偿方式 杆上无功补偿方式又称分散补偿方式或分组补偿方式。 杆上补偿方式是将配电系统所需的无功补偿容量按局部负荷大小进行分配, 在10kV配电线路上安装电力电 容器进行补偿。由于配电网中大量的无功沿线传输使得配电网网损居高难下。因此 采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上进行无功补偿,以提高功率因 数,达到降损升压的目的。 其优点是: (1) 对
18、于负荷比较分散的用户,有利于实行内部无功分区控制,分区平衡, 减少网络中无功电流引起的损耗和电压损失,被补偿网络能较经济运行,体现了无 功“分散补偿,就地平衡”的原则; (2) 可增加设备的承载能力,尤其在配电分支线上进行补偿,可以改善输电 线路的运行特性,降低损耗,提高电压质量,对于改善我国配电线路过长、负荷率 低、有功及无功损耗大、末端电压质量差的状况,是最为经济的可行性措施; (3) 对于分车间考核用电指标的用户,可提高本车间的功率因数,降低产品 单耗和生产成本,经济效益好,且其补偿方式灵活,电容器投切时冲击电流较小。 其缺点是: (1)只能减少10kV配电线路和变压器上的无功负荷,不能
19、减少10KV线路的无功 损耗; (2)由于设备安装地点比较分散,其维护管理的难度比较大,补偿设备的利用 率较集中补偿方式低; (3)如果在车间装设的电容器不能分组投切,则补偿容量无法调整,可能出现 过补偿; (4)分组补偿方式的一次性投资大于集中补偿。 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,补偿度一般是不能达到0.95。 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,控制成本高,维 护下作量大,受安装环境和空间等客观条件限制
20、等工程问题。 2.1.3 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380Y侧进行集中补偿,通常采用微机控制的低压并联电容器柜,容量在几十至几百千乏不等,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 变用户的功率因数, 实现无功的就地平衡, 对配电网和配电变的降损有一定的作用, 也有助于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用户承 担。 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 投切的,也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控的。 其优点是: (1)可以就地补偿专用变或配电变的无功
21、功率损耗,增加变压器所带的有功负 荷; (2)能方便地同电容器组的自动投切装置配套,自动追踪无功功率变化而改变 用户总的补偿容量,避免在总的补偿水平上产生过补偿或欠补偿,从而使用户的功 率因数始终保持在规定的范围内。在这个意义上讲,可使用户达到最优补偿; (3)集中补偿有利于控制用户本身的无功潮流,避免受电力网电压变化或负荷 变化而产生过大的电压波动。当电压波动超过允许的范围时,可借助于自动投切装 置调制母线电压水平,以改善电压质量; (4)电容器组的基本原理是根据用户正常负荷需要确定的,允许时间长,利用 效率高,补偿效益就高,而且低压集中补偿方式在运行维护上较为方便,事故率相 对减少,相应地
22、提高了补偿效益。 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,而面向广大家 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,补偿设备投资 大,维护难、控制和管理容易成为生产安全隐患。虽然这种方式能够更好的降低电 网损耗提升电压,但是在设备故障、维修不及时的情况下(这样的情况还是比较常 见的),反而大大降低了设备的利用率,使得补偿的效果大打折扣。这样,配电网 的补偿度就受到了限制。 2.2 并联电容器补偿容量的计算 电容器的补偿容量与多种因素有关,在不同的条件下,补偿容量的计算方法有 很大的差异。一般在补偿容量计算时,需要靠所采用补偿方法、未补偿时的负载情 况、电容器接入
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