電力系統靜態無功補償系統設計與仿真畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 種：當并聯電容器的電容 C 較小， |?I C|＜ |?I L|時，負荷中的感性無功電流沒有被完全補償，這時電源的 ?I 滯后 ?U ，如圖 (c)所示，這種補償稱為欠補償；當并聯電容器的電容 C 較大 ，會出現 |?I C|＞ |?I L|的情況，這時負荷中的感性無功電流被完 全補償滯后還有剩余容性電流，電源的 ?I 超前 ?U ，如圖 (d)所示，這種補償稱為過補償。通常不希望出現過補償情況，因為這樣會引起變壓器二次側電壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會增加電能的損耗，還會增加電容器自身的損耗，影響電容器的壽命。 因此，實際電路是可以通過改變并聯電容 C 的大小來控制無功功率的大小，從而調節補償后功率因數的大小。 雖然并聯電容器補償方式比較簡單，而且成本也比較低，但這種方式只能補償固定的無功功率，因為一 旦電容值選定后，就確定了其相應的無功功率，而目前電容器的電容無法實現帶電連續改變，通常是采用分組投切的方法來改變并聯電容器的電容值。此外，在系統中有諧波時，還有可能發生并聯諧振，并使諧波放大，可能會使電容器損壞。 然后，再 看負荷由電阻 R 和電感 L 組成的串聯電路。對 R、 L 串聯的負荷進行無功補償電路如圖 (b)所示。 當并聯電容器沒有投入時， RL 支路的電流有效值為 ： IRL=22 LXRU? (23) 11 RL 支路的電抗為 ： ZRL=R+jXL (24) 這時，電源輸出的電流 ?I 等于 RL 支路吸收的電流 ?I RL，電源的功率因數為 ： cos? =22 LXRR? (25) 當并聯電容器投入時， RL 支路的電流保持不變，電容器支路的電流有效值為： IC=XcU (26) 電容器支路的電抗為： ZC=jXL (27) 這時，電源輸出的電流 ?I 等于 RL 支路吸收的電流 ?I RL+?I C，電源的功率因數為： cos? =22 )( CL XXRR ?? (28) 由上式可知，投入并聯電容器后，電源的功率因數將增大，特別是當 XL=XC 時，電源的功率因數為 1。顯然，當 XC＜ XL 時，欠補償；當 XC＞ XL 時，過補償。其相量圖關系如圖 (c)、 (d)所示。 并聯電容器補償無功功率的方式 對于電力系統的負荷，電力企業通常采用并聯電容器進行無功功率補償。并聯電容器可以安裝在全系統的各個點上，根據安裝的位置不同，通常分為三種方式 [11]。 (1) 集中補償 集中補償是指將并聯電容器接在匯 流母線上，根據母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。集中補償一般把補償裝置裝于地區變電所或高壓供電電力用戶降壓變電站的一次或二次母線上，也包括集中裝于電力用戶總配電高低壓母線上。其優點 是 安裝方便，有利于控制電壓水平 ，且易與實現自動投切，運行可靠，利用率高，維護方便，能減少配電網、用戶變壓器及專供線路的無功負荷和電能損耗。缺點是：當電氣設備不連續運轉或輕負荷，又無自動控制裝置時，會造成過補償，使運行電壓抬高，電壓質量變壞，因此，補償裝置需要較頻繁投切；不能減少電力用戶內部各條配電線路的無功負荷和電能損耗。 集中補償分為低壓集中補償和高壓集中補償。 低壓集中補償是指將低壓無功功率補償裝置通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線 12 側，以無功功率補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制低壓無功功率補償裝置的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節。負荷較集中的小型企業用此補償方式較經濟。低壓集中補償的優點是：接線簡單、運行維護工作量小，使無功功率就地平衡，從而提高配電變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功功率補償中常用的手段之一。 高壓集中補償一般將并聯電容器組集中直接裝在變電所 6～ 10kV 高壓母線上。高壓集中補償的主要優點是：不僅可以減少高壓母線線路的無功功率損耗，而且能夠提高本變電所的供電電壓質量：可以根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加；提高供電能力、減少線損和電能損耗，穩定電壓，便于運行維護，補償效益高。缺點是這種補償 方式只能補償高壓母線前面所有線路上的無功功率，而高壓母線后面的無功功率 得不到補償。 (2) 個別補償 個別補償又稱為“就地補償”，它就是根據個別用電設備對無功功率的需要量將單臺或多臺電容器組分散地與用電設備并接。 它與用電設備共用一套斷路器，也可以獨立使用一套斷路器，通過控制、保護裝置與用電設備同時投切，所以個別補償也稱隨機補償。它通過控制、保護裝置與電機同時投切，既能提高線路的功率因數，又能改善用電設備的電壓質量。個別補償的特點是：用電設備 運行時，無功功率投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功功率倒送；同時還具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。 個別補償分為低壓個別補償和高壓個別補償。低壓個別補償適用于補償個別大容量且連續運行 (如大中型低壓異步電動機）的無功功率消耗 。這種方式用在負荷比較分散、補償容量小的企業比較適宜。一般說來，高壓設備單臺容量大，消耗的無功功率也很大，更適合采用個別補償方式。 低壓個別補償的優點是：補償效益大，不僅能減少高壓線路中的無功功率，同時也減少了低壓線路中的無功功率，減少電氣設備的容量和導線的截面，降低電能的損耗。但存在的不足是：對不經常使用的設備，所安裝的無功功率補償電容器的利用率很低；大量低壓設備因沒有安裝或不適宜安裝補償器而引起的電能損耗得不到有效改善；因控制和執行元件的響應時間較慢而影響補償效果；自動控制的分組 補償往往因投切失靈，容易 損壞電氣設備。采用高壓個別 ，除了具有低壓個別補償的優點外，而且更能有效地降低設備啟 13 動時的沖擊性，減少變壓器裕度。 (3) 分組補償 分組補償又稱分散補償，它是根據各用戶的各個負荷中心，把補償裝置分成幾組安裝在功率因數較低的村鎮終端變、配電所高壓或低壓母線上或車間配電室或變電所分路出線上。 分組補償常見的安裝方式有：①高壓補償裝置分組安裝于城鄉電網 6kV 配電線路的桿架上；②低壓補償裝置安裝于公用配電變器的低壓側或電力用戶各車間的配電母線上。 分組補償方式基本集中安裝在變電器低壓側的母線或輸電線路中，減 少了電力系統到用戶線路上的高壓線損和變損，克服了集中固定補償容量較大時的涌流過大等問題，提高了用戶內部的供電能力，并能有效的增大配電線路的供電能力，節電效果好。此外，在低負荷時，可以相應停運數組，以防過補償、投資較為經濟。但是需要人工頻繁投、切。在投、切不及時或投、切容量不合適時，也易造成過補償或欠補償現象。另外，這種補償方式具有與集中補償相同的優點，但無功功率補償容量和范圍相對小些，效果明顯，因此采用比較普遍。 并聯電容器補償容量的確定 安裝 并聯電容器進行無功功率補償時，電容器安裝容量的選擇， 可根據不同目的來確定 [12]。 (1) 集中補償和分組補償電容器容量 QC(kvar)的確定 采用集中補償方式和分組補償方式時，總的補償容量按功率因數可由下式決定： QC=? avPmax(tan? 1tan? 2) (29) 或 QC=? avPmaxqc (210) 式中 Pmax — 由變電所供電的月最大有功功率計算負載， kW ? av — 月平均負載率，一般可取 ～ ?1 — 補償前的功率因數角， cos? 1 可取最大負載時的值 ? 2 — 補償后的功率因數角，參照電力部門要求，一般可取 ～ qc — 電容器補償率， kvar/kW，即每千瓦有功負載需要補償的無功功率 14 顯然 qc= tan? 1tan? 2 電容器 接法 不同時，每相電容器所需容量也是不一樣的。 1. 電容器為星形接線時 QC = 3 UIC103= 3CU?1 3103= 2CU? 103 (211) 式中 U — 裝設地點電網線電壓， V IC — 電容組的線電流， A ； C— 電容組電容， F? 考慮到電網線電壓的單位常用 kV， QC 的單位為 kvar，則星形連接時每相電容器組的容量為 CY=C=2310UQC? ?? (212) 2. 電容器為三角形連接時 QC = 3 UIC103=3UCU?1103=3 2CU? 103 (213) 每相電容器 的容量為 : C△ =233 10UQC? ?? (214) (2)就地補償電容器容量 QC(kvar)的 確定。 單臺異步電動機裝有個別補償電容器時，若電動機突然與電源斷開，電容器將對電動機放電而產生自勵現象。如果補償電容器容量過大，可能因電動機慣性轉動而產生過電壓，導致電動機損壞。為防止這種情況，不宜使電容器補償容量過大，應以電容器在此時的放電電流不大于電動機空載電流 I0 為限，即 QC = 3 UNI0103 (215) 式中 UN — 供電系統額定線電壓， kV ； I0 — 電動機額定空載電流， A 若實際運行電壓與電容器額定電壓不一致，則電容器的實際補償容量為： QC1 = )UU( (216) 式中 — 電容器的額定電壓； — 電 容器的額定補償容量； UW — 電容器的實際工作電壓 15 并聯電抗器 并聯電抗器 也是一種較早應用的重要無功功率補償裝置。在超高壓電網中，線路空載或輕載時大量充電功率過剩，采用并聯電抗器補償是必不可少的。一般可以通過采用高壓或低壓并聯電抗器適當配合的補償方式來實現。在長距離輸電線路上，高壓電抗器具有限制過電壓、分層平衡無功功率，有利于使用單相重合閘和提高系統穩定性的綜合功能。低壓電抗器的主要特點是易于投切，主要用于運行方式變化中無功功率平衡和電壓調整。 在過去相當長的時間內，當我國一些電網低谷時電壓過高，如果采用發 電機進相運行和切除并聯電容器等措施效果不大或者這些措施難以實現時，多考慮裝設可投切并聯電抗器，并且依然是目前補償容性無功功率 (吸收感性無功功率 )的主導裝置。 并聯電抗器的數目及位置的選擇一般是按照在空載、輕載以及接通空載線路等運行方式下保證設備得到容許電壓，以及考慮與輸電系統的無功功率平衡等條件來確定的。當線路輸送功率加大時，必須適當切除電抗器以保證系統的電壓和穩定性；在輕載時由于它對線路充電功率的補償，從而降低了線損。此外，隨著沿線及受端電壓的改善，也就增加了系統的穩定性。 并聯電抗器在電力系 統中的作用 并聯電抗器 無功功率補償裝置常用于補償系統電容 [13]。它通過向超高壓、大容量的電網提供可階梯調節的感性無功功率，補償電網的剩余容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網電壓穩定在允許范圍內。實踐證明，對于一些電壓偏高的電網，安裝一定數量的并聯電抗器是解決系統無功功率過剩，降低電壓的有效措施。特別是限制由于線路開路或輕載負荷所引起電壓升高。 由于超高壓遠距離輸電線路，其輸電線路對地以及相與相之間的電容特別大，輸電線路電容會產生大量的無功功率，各級電壓輸電線路的容性充電功率數值如 下 表所示。由此可知 ，在超高壓和一些中低 壓電網中，其容性充電功率的數值相當可觀，決不可忽視。這樣，負荷在空載或輕載會引起輸電線路末端電壓過分升高，發電機產生自勵。為了使輸電線路電壓維持在規定的范圍內，發電機電勢必然需要降低，這樣將會使電力系統的功率極限減小，運行功角增大，使靜態穩定水平下降。 16 表 21 各級電壓輸電線路的充電功率的數值 電壓等級 (kV) 導線截面 分裂導線數 充電功率 (Mvar/100km) 110 95～ 400 單導線 ～ 220 240～ 700 單導線 雙分裂 ～ ～ 19 330 240～ 700 雙分裂 ～ 41 500 300～ 700 三分裂 95～ 105 750 400～ 400 四分裂 215～ 240 為了 改善上述情況，在一定