毕业论文配电网无功补偿技术研究00021.doc
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1、配电网无功补偿技术研究摘 要在电力系统中,存在着消耗大量无功功率的设备,这些设备的使用会给电力系统电压产生激烈的波动,例如冲击性的无功功率负载:轧钢机,电弧炉,电气化铁道等。同时用户中又有对系统电压稳定性有较高要求的精密设备:如计算机,医用设备等。如果无功功率不能及时控制,就会对电网电压造成不良影响。另外无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。鉴于以上原因,如何快速有效解决电力系统中的无功缺额。具有重要的现实意义。本文分为五个部分,第一部分介绍无功的研究现状讲述无功功率理论的发展,电力补偿装置的发展;第二部分无功功率,介绍什么是无功功率,无功功率的物理意义,无功功率对电力系统的影响。第三部分无
2、功优化的研究,介绍影响无功优化因素,无功优化的一般模式目标函数和约束条件。第四本部分无功补偿的方法,介绍了两种无功补偿的装置:无功补偿电容器和静止无功发生器。关键字:无功补偿 无功优化 电力系统 补偿电容器 静止无功发生器目 录第一章 绪论11.1无功功率理论的发展11.2无功功率补偿装置的发展2第二章 无功功率32.1什么是无功功率32.2无功功率的物理意义32.3无功功率对电力系统的影响5第三章 无功优化73.1无功优化的基本原则及要求73.2影响无功优化的因素93.3无功优化的一般模型113.4无功优化目标函数113.5无功优化约束条件13第四章 无功补偿154.1无功功补偿的作用154
3、.2无功补偿的重要性164.3无功功率动态补偿的原理164.4无功补偿电容器174.5静止无功发生器20结论24致 谢26参考文献27第一章 绪论1.1无功功率理论的发展传统的功率定义大都建立在均值的基础上的。单相正弦电路或者三相对称正弦电路中,利用传统概念定义的有用功率、无用功率、视在功率、和功率因数的概念都很清楚。但当电压或者电流含有谐波时,或三相电路不平衡时,功率现象比较复杂,传统的概念无法正确的对她作出解释和描述。建立能包含畸变和不平衡现象的完善的功率理论,是电路理论中的一个重要的基础课题。学术界有关功率理论的争论可以追溯到20世纪20和30年代,Eudeanu和Fryze最早分别提出
4、在频域定义和时域定义的方法,以后又有各种定义和理论不断出现。20世纪80年代以来,新的定义和理论更是不断推出。自1991年以来,已多次举办了专门的讨论非正弦情况下功率定义和测量问题的国际会议,但迄今为止仍未找到解决问题的理论和方法。新的理论往往是解决了前人未解决的问题,同时却也存在着另一些不足,或引出了新的待解决的问题。对新提出的功率定义和理论应具有如下要求:(1)物理意义明确,能清晰地解释各种功率现象,并能在某种程度上与传统概念理论一致。(2)有利于对谐波源和无功功率的辨别和分析,有利于对谐波和无功功率的流动的理解。(3)有利于对谐波和无功功率的补偿和抑止,并能为其提供理论指导。(4)能够被
5、精确测量,有利于有关谐波和无功功率的检测、管理和收费。根据上述要求,可将现有的无功功率理论分为图1-1所示的三大类。迄今为止各种无功功率定义和理论只解决一两方面的问题不能满足全部需求。Czarnecki和Depenbrock的工作对第一类功率理论一两解决起了较大的促进作用。H.Akagi提出的瞬时无功理论解决了谐波和无功的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题,无功补偿装置的研究开发起到了很大的推动作用。但这一理论的物理意义较为模糊,与传统理论的关系不够明确,在解决的一类问题和第三类问题时有一定困难。对第三类理论问题的研究虽然取得了一定的成果,但迄今没有较大突破。总之如果建立更为完善的
6、功率定义和理论,特别是为供电企业和电力用户广泛接受,还需要进行更多的努力。各种功率理论第一类适应与谐波和无功功率的识别第二类适应于谐波和无功功率的补偿和抑制第三类适应于仪表测量和电能的管理、收费图1-11.2无功功率补偿装置的发展传统的无功补偿是用普通开关将电容器或者电抗器投入电网,它会产生很大的冲击电流,而且,将电容器从电路中切除时,会产生拉弧现象,现已被动态补偿装置逐渐代替。早期的动态补偿装置是同步调相机SC,它是用来专门产生无功功率的同步电动机,它能产生不同大小容性或者感性的无功功率。70年代以来,同步调相机已经开始逐渐被静止无功补偿装置(SVC)所代替。1977年美国GE公司首次在实际
7、电力系统中演示运行其使用了晶闸管的静止无功补偿装置。1978年,在美国电力研究院的支持下,美国西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际使用。静止无功补偿装置包括晶闸管控制的电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置TCR+TSC,或者晶闸管控制电抗器和固定电抗器(FC)或机械投切电容器(MSC)混合使用的装置。在国内SVC越来越广泛的被应用于电力系统中,成为电力系统中支持电网电压的重要手段。第二章 无功功率2.1什么是无功功率电网中电力设备大多是根据电磁原理工作的,他们能在能量交换中建立交变的磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。但电源能量再通过纯电感
8、或纯电容电路时并没有能量消耗,仅仅在用电负荷与电源之间进往复交换,由于这种交换功率不对外做功,因此成为无功功率。无功功率反映了内部与外部往返交换的能量情况,但并不像有功功率那样表示单位时间内所做的平均功率,无功功率的符号用Q表示,单位为乏(var)、千乏(Kvar)、兆乏(Mvar)。2.2无功功率的物理意义前面说过,无功功率只是描述能量交换的幅度,并不消耗功率,图2-1的单相电路就是这一方面的例子,其负载为感性负载。电阻消耗有用功,而电感则在一周期内的一部分时间内把从电源吸收的能量储存起来,另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放,并不消耗能量。无功功率的大小表示了电源和负载电感之间能量交
9、换的幅度。电源向负载提供这种无功功率是阻感负载内的需要,同时对电源的输出带来一定的影响。图2-1图2-2是带有负载的三相电路,为了和图2-1相对照,假设U、R、L的参数均和2-1相同,为对称三相电路。这是无功功率的大小当然表示了电源和负载电感之间的能量交换幅度。无功能量在电源和负载间来回流动。同时,可以证明,各项的无功功率分量()的瞬时值之和在任一时刻都为零。因此,也可以认为无功能量是在三相之间流动。这种流动是通过阻感负载进行的。图2-2图2-2是一个静止无功发生器电路(SVG)。通过对各半导体开关器件的适当控制,其电源电流的相位可以比电压超前,使SVG发出的无功功率或吸收无功功率。在进行PW
10、M控制时,如果开关频率足够高C的容量就可以足够小。因此,C可以不被看成储能元件。同样,只要开关频率足够高,SVG交流侧电感L也可以足够小,L也不是交换无功能量意义上的电感。因此,这种电路可以近似看成无储能元件的电路。这时,无功能量的交换就不能看成是在电源和负载储能元件之间进行的。因为各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为零。因此,仍可以认为无功能量在三相之间流动。事实上,三相三线电路无论对称还是不对称,无论含谐波还是不含谐波,各无功分量的瞬时值都为零。这一结论是普遍成立的,因此,可以认为无功能量是在三相之间流动的。图2-3a图2-3a是带有电阻负载的单相桥式可控整流电路,图2-3b是时u和i的
11、波形。这时电路的有功功率为图2-3b电流i的有效值为功率因数为无功功率Q为其无功功率一部分是由基波电流移相产生的,另一部分是由谐波电流产生的。因为负载中没有储能元件,而且是单相电路,所以,这里没有上述意义上的无功能量的流动,其无功功率是由电路非线性产生的。2.3无功功率对电力系统的影响传统的无功功率是由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换的最大值,是负荷与电源间交换能量的一种度量。但随着科学技术的发展,许多非储能元件也会吸收无功这主要是器件的非线性引起的。电力系统中的无功消耗主要来自两个方面,一是输电线路自身消耗的无功,另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收一定的无功,在高压配电
12、网络中为了提高电网的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功进行补偿,如对线路进行串联补偿,一些重要的节点进行并联补偿。负荷吸收的负载主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗无功,如工业生产和日常生活中使用的异步电动机,日光灯、以及各种变流设备,工业电炉、电气机车等,这些负荷中有些容量很大,再启动和使用中都会吸收大量的无功,常会引起电网电压波动和畸变。在电力系统中,负载中的感性负载会降低电网的功率因数,会给电力系统产生下列不良影响。 (1)降低发电机组的输电能力和输变电设备的输电能力,是电气设备的效率降低,发电和输变电成本提高。(2)增加了输电损耗,降低了系统的经济效益。(3)增加了电网网络中的
13、电压损耗,引起电压的波动和闪变。第三章 无功优化3.1无功优化的基本原则及要求 任何配电网络都会吸收一定量的无功功率,尤其是低压配电系统最为严重,为了最大限度的减少无功功率的传输损耗,提高配电设施的效率,无功补偿的配置应按“分级补偿,就地平衡”的原则合理布局。国家颁布的电力系统安全稳定导册包括了无功功率平衡及补偿的根本要求。有关规定如下(1)无功功率电源的安排应有规划,并留有适当的裕度,以保证系统各输压在正常和事故后均能满足规定的要求。(2)电网的无功补偿应分层分区就地平衡为原则,应随负荷的变化调整,避免长距离线路或者多级变压器传送无功功率,220KV以上等级线路的充电电功率应基本上予以补偿。
14、(3)电机或调相机应自动调节励磁运行,并保证其稳定性。(4)为保证受端系统发生突然失去一回重载线路或一台大容量组等事故时保持电压稳定和正常供电,受端电压应有足够的动态无功备用容量。导则关于对无功功率平衡机补偿的规定是对现代电网进行科学分析对多年电网运行经验总结得出的结论。国标GB12325-90电能质量允许电压偏差规定了各电压等级的配电网母线上的电压偏差容许值。这两个文件是进行电压无功补偿时的基本大纲。但仅有大纲是远远不够的还需要进一步细化出若干原则,下面将无功补偿的基本原则及要求总结如下:(1)功率分级补偿,就地平衡的基本原则在电网中,各级网络和输配电设备都要吸收一定量的无功功率,尤其低压配
15、电系统所占比重最大,为了最大限度的减少无功功率传输损耗提高配电设施的效率,无功补偿设备装置按照“分级补偿,就地平衡”的原则合理布局。(2)分散补偿与集中补偿相结合,以分散补偿为主集中补偿是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。分散补偿是指在配电网络中分散的负荷区,如配电线路,变电器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿主要是补偿主变压器本身的无功损耗,以减少变电所以上输电线路的无功功率,从而降低输电线路的无功损耗。因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效的降低线损,必须做到无功功率在那里发生就补偿到哪里。(3)保持各节点电压合格,并留有充足的无功余量保持电能质量
16、的合格就是对电网无功补偿的基本要求。保留充足的无功裕量,对系统快速跟踪负荷的变化,中低压电网应以分散为主。应对突发事件,具有非常重大的意义。(4)要注意区域协调性经济性确保全局电网优化降低电网损耗,提高经济效益,是系统处于经济运行状态下,是所有电网追求的目的。为此,需要对系统进行适当的集中优化和协调优化。对不同的变电站设定不同的优化运行方式,用户可以根据需要设定变电站是否参加优化控制。若不参与优化的变电站,则设备不可调节;用户也可以设定具体的设备是否参与优化,则即设备是否可调节控制系统根据用户设定的变电站和设备的控制方式及变电站预测的结果进行全局电网的无功优化计算,得出母线电压约束并以网损最小
17、为目标的控制策略。(5)应充分考虑全局电压稳定的需求电压无功补偿说到底就是保持各节点电压稳定但是只从局部出发很可能危及整个电网的稳定性,因此各电网的无功补偿必须服从全电网的稳定性要求。(6)无功补偿应具常规控制和紧急控制功能系统不仅能在正常情况下通过调节各电压控制器的整定值控制受控区域的无功电力至优化状态;当出现紧急情况时如负荷急剧变化或发生故障造成电压异常时,系统也能够迅速做出反应,实施有效的控制,节点电压恢复到正常的范围。当通讯系统某些远程控制线路出现问题时,系统还能很好的完成调节任务。(7)避免调节设备频繁的动作各调节设备特别是有载调节变压器,电容器组等,受设备使用寿命及其电压波动的限制
18、,其调节次数是有限的。因此系统应该对设备的动作进行合理的规划和优化,使得既能满足系统经济性的要求,又能使调节设备的动作次数在理想的范围之内,同时在调节过程中应保证控制设备在安全稳定的范围内运行。 当采用全局电网优化控制时,补偿系统根据负荷预测结果编制控制预案,避免各变电站孤立、局部的调节控制,有效地控制设备的操作和变电站间的协调配合,保证设备动作的效果,减少全局电网总的设备动作数量。(8)满足不同调压方式不同调压方式(逆调压、顺调压、长调压)要求可通过母线(节点)的电压约束体现。补偿系统可按时段为母线设置不同的电压限值约束,以满足用户对调压方式的要求。例如,按逆调压的要求,在电压合格范围内,高
19、峰负荷时电压偏上限运行,低谷负荷时电压偏下限运行。则在设置母线电压约束时,对高峰负荷时段、低谷负荷时段的电压限值进行适当收缩,以满足逆调压的要求。 (9)引入闭锁保证电网安全运行 补偿系统应在保证电网安全的基础上提高运行效益。因而补偿系统必须对电网故障、异常情况有充分的应对措施。当发生异常情况时,补偿系统实施闭锁。异常情况的发生可对应于遥信变位(如保护动作)、遥测越限。补偿系统在运行过程中检测到用户定义的需要闭锁的异常情况时,立即执行闭锁。闭锁的对象可以是设备闭锁(该设备不可调节)、变电站闭锁(该变电站的所有设备不可调节)、系统闭锁(补偿系统不再进行优化控制)。 无功补偿的标准遵照电力部电力系
20、统电压和无功电力技术导则,无功补偿对功率因数做如下规定:对于系统站,110kV及以上系统站主变在最大负荷时,其二次侧的功率因数为0.95以上;35kV系统站主变在最大负荷时,其二次侧的功率因数为0.95以上。对于用户站:高压供电的工业及装有带负荷调整电压设备的用户,功率因数为0.95以上;其它工业用户功率因数为0.9以上;泵站和农业用户功率因数为0.80以上。3.2影响无功优化的因素(1)负荷状态水平的影响 在地区电网实际运行中,电网总的负荷水平是地区电网中千万个用电设备消耗的功率总和,在不同时刻,电网中的总负荷水平是不一样的:在高峰负荷状态下,电网对无功功率的需求大,整个地区电网的无功功率呈
21、现不足的状态,这就要求发挥电网中无功补偿设备的作用,通过投入电网中恰当地点的电容器来补偿无功负荷所需的无功功率;而在低谷负荷状态下,电网对无功功率的要求将减少,为避免无功功率过剩,要求切除电网中适当地点的电容器,使得电网的无功功率得到合理控制;这样必然导致在不同负荷水平状态下,地区电网无功优化控制策略的不同,即可投切电容器的位置和容量不同,因此在地区电网无功优化控制中,根据不同负荷状态水平和分布情况,选择不同的电容器组投切方案,是优化地区电网运行的重要手段,负荷状态水平对电容器投切起着至关重要的作用。 (2)电压水平的影响 进行无功优化控制的前提是保证电压水平正常,图3-1是无功功率的静态电压
22、特性。图中和对应着两种电压水平Qc1和Qc2分别为和对应的无功功率需要供给量EQL+Q表示电网的无功负荷和无功损耗。从图3-1可以看出,要维持一定的电压水平,必然要求无功功率达到相应的无功平衡,无功平衡是保证电压质量的基本条件。当电网中某节点的电压要求较高时,在无功功率不足的情况下,要维持较高的电压水平是不可能的,这时就必须投入电容器进行无功补偿,来提高节点的电压水平;当电网中某节点的电压要求较低时,将不能充分利用可投切的电容器,不利于电网的稳定与经济运行。因此对不同的电压水平会有不同的电容器投切方案。图3-1电压水平与无功平衡的关系(3)电容器投切次数的影响 地区电网无功优化控制的主要措施是
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