[畢業(yè)設(shè)計精品]電力系統(tǒng)無功功率動態(tài)優(yōu)化補償裝置

1、畢業(yè)設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 專業(yè)電力系統(tǒng)無功功率動態(tài)優(yōu)化補償裝置 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 二00九年六月 前 言iii第一章 動態(tài)無功功率補償裝置概述1第一節(jié) 現(xiàn)有補償裝置存在的問題及解決方法1第二節(jié) 無功補償和提高功率因數(shù)的意義3第三節(jié) 無功功率補償技術(shù)的發(fā)展趨勢13第二章 補償裝置現(xiàn)狀的調(diào)研與問題的提出15第一節(jié) 無功功率補償?shù)姆N類和特點15第二節(jié) 問題的提出21第三章 無功功率優(yōu)化動態(tài)補償裝置25第一節(jié) 裝置簡介25第二節(jié) 工作原理26a30第三節(jié) 抗干擾措施41第四章 設(shè)計總結(jié)43參考文獻：45前 言無功功率補償是電力系統(tǒng)的經(jīng)典話題，補償?shù)卯?，可以提高供電效率，減少線路損

2、耗，提高供電質(zhì)量。以前的補償裝置多用估算的辦法，不能適應(yīng)動態(tài)的要求。隨著單片機技術(shù)和電子測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在有條件實時測量出功率因數(shù)，根據(jù)測量結(jié)果及時進行補償，補償?shù)某潭瓤梢跃唧w線路進行設(shè)定。本設(shè)計就是要完成這樣的實際裝置。要考慮適應(yīng)現(xiàn)場惡劣電磁環(huán)境，保證能夠長期可靠運行，不發(fā)生死機現(xiàn)象。在本設(shè)計中，用pt和ct分別采樣電流、電壓信號，由單片機進行相位差計算，根據(jù)計算結(jié)果，投入或切掉并聯(lián)的補償電容。電容的分組可以采8：4：2：1的比例，使調(diào)節(jié)更加精細。相位測量可以采用單片機計數(shù)配合電子線路實現(xiàn)。電容投切控制使用固態(tài)無觸點開關(guān)，采取過零寬高頻調(diào)制脈沖觸發(fā)方式，以減少沖擊電流；關(guān)斷采用電流過零自然

3、關(guān)斷；投入采用記憶方式，保證原電容充電方向與系統(tǒng)電源方向一致。 44第一章 動態(tài)無功功率補償裝置概述為提高供電設(shè)備效率，減少供電線路電能損失，國內(nèi)外自上世紀50年代初就開始進行無功功率補償裝置的研究工作，其方法主要有兩種：一種是在電網(wǎng)上并聯(lián)電容器，通過提高電網(wǎng)的功率因數(shù)達到減少線路電壓損耗，提高供電設(shè)備利用率的目的;另外一種是在電網(wǎng)上并入同步電動機，通過改變同步電動機勵磁電流的方法來改變電路負載特性。其中前一種方法適用于居民、商業(yè)及小型工廠的低壓供電系統(tǒng)，而后一種方法適用于大型工廠中的無功功率補償。 在實際應(yīng)用中，由于電路特性是隨時變化的，為了達到較好的補償效果，就必須動態(tài)跟蹤電路特性的變化，

4、實時監(jiān)測電路中與的相位差角，根據(jù)角的大小決定并聯(lián)電容器的值。基本的功率因數(shù)補償電路如圖1-1 所示圖1-1功率因數(shù)補償電路電路中的k1k n在自動動態(tài)補償裝置中可采用雙向可控硅，在電路工作時，一般保證u1，為分析方便，可認為u2u1，則 (2-2)當功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，通過上式計算，可求得有功損耗降低21左右。在輸送功率不變情況下，提高，i相對降低，設(shè)為補償前變壓器的電流，為補償后變壓器的電流，銅耗分別為，；銅耗與電流的平方成正比，即 (2-3)由于p1=p2，認為u2u1時，即 (2-4)可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，銅耗相當于原來的80。（三）減少了線路的壓降由于線路傳

5、送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失相應(yīng)減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高)，有利于大電機起動。（四）增加了供電功率，減少了用電貼費對于原有供電設(shè)備來講，同樣的有功功率下，cos提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)、導(dǎo)線等配電設(shè)備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設(shè)備的潛力。對于新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行后的基本電費。三 就地補償與集中補償?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟分析（一）電容補償在技術(shù)上應(yīng)注意的問題1、防止產(chǎn)生自勵。采用電容器就地補償電動機，切斷電源后，電動機在慣性作用下繼續(xù)運行，此時電容器的放電電流成為勵磁電流，如果電容過補償，就可

6、使電動機的磁場得到自勵而產(chǎn)生電壓，如圖6所示。因此，為防止產(chǎn)生自勵，可按下式選用電容 (2-5)2、防止過電壓。當電容器補償容量過大，會引起電網(wǎng)電壓升高并會導(dǎo)致電容器損壞。我國并聯(lián)電容器國標規(guī)定：“工頻長期過電壓值最多不超過1.1倍額定電壓?！币虼吮仨毞蟩c 0.1ss的條件。3、防止受到系統(tǒng)諧波影響。對于有諧波源的供電線路，應(yīng)增設(shè)電抗器等措施，使諧波影響不致造成電容器損壞。由此可見，就地補償較集中補償，更具節(jié)能效果。四 電容補償控制及安裝方式的選擇（一）就地補償與集中補償?shù)挠嘘P(guān)規(guī)定1、gb1249790三相異步電動機經(jīng)濟運行第7.6條規(guī)定：50kw以上的電動機應(yīng)進行功率因數(shù)就地補償。2、g

7、b348583評估企業(yè)合理用電技術(shù)導(dǎo)則第2.9條規(guī)定：100kw以上的電動機就地補償無功功率。3、gb5005295供配電設(shè)計規(guī)范第5.03及5.0.10規(guī)定。4、國外用電委員會法規(guī)與專業(yè)學(xué)報均有類似規(guī)定與刊載。（二）電容補償方式的選擇采用并聯(lián)電容器作為人工無功補償，為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡，即低壓部分的無功宜由低壓電容器補償，高壓部分的無功宜由高壓電容器補償。對于容量較大，負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備的無功功率，宜就地補償。補償基本無功的電容器組宜在配變電所內(nèi)集中補償，在有工業(yè)生產(chǎn)機械化自動化程度高的流水線、大容量機組的場所，宜分散補償。（三）電容器組投切方式的選擇電容器組投切

8、方式分手動和自動兩種。對于補償?shù)蛪夯緹o功及常年穩(wěn)定和投切次數(shù)少的高壓電容器組，宜采用手動投切；為避免過補償或輕載時電壓過高，易造成設(shè)備損壞的，宜采用自動投切。高、低壓補償效果相同時，宜采用低壓自動補償裝置。（四）無功自動補償?shù)恼{(diào)節(jié)方式以節(jié)能為主者，采用無功功率參數(shù)調(diào)節(jié)；當三相平衡時，也可采用功率因數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)；為改善電壓偏差為主者，應(yīng)按電壓參數(shù)調(diào)節(jié)；無功功率隨時間穩(wěn)定變化者，按時間參數(shù)調(diào)節(jié)。五 電容補償容量的選定（一）集中補償容量確定先進行負荷計算，確定有功功率p30和無功功率q30，補償前自然功率因數(shù)為cos1，要補償?shù)降墓β室驍?shù)為cos2。則 (2-6)為平均負荷因數(shù)。（二）電動機就地補償

9、電容器容量確定就地補償電容器容量選擇的主要參數(shù)是勵磁電流，因為不使電容器造成自勵是選用電容器容量的必要條件。負載率越低，功率因數(shù)越低；極數(shù)愈多，功率因數(shù)越低；容量愈小，功率因數(shù)越低。但由于無功功率主要消耗在勵磁電流上，隨負載率變化不大，因此應(yīng)主要考慮電動機容量和極數(shù)這兩個參數(shù)，才能得到最佳補償效果。6結(jié)合工程實例談電容補償?shù)膽?yīng)用以某大型項目中能源中心為例，該項目設(shè)備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機設(shè)備容量為5400多千瓦，其他低壓設(shè)備容量為5000多千瓦。供電電源的電壓等級為10kv。本著“節(jié)能、高效”的方針，初次嘗試了采用燃汽輪機發(fā)電機組自發(fā)電，冷、熱、電三聯(lián)供，做到汽電共生，實

10、現(xiàn)能源綜合利用。經(jīng)過經(jīng)濟分析，采用10kv作為高壓電動機的供電電壓等級，投資較省，同時亦減少變電環(huán)節(jié)，也就減少了故障點。根據(jù)負荷計算，共采用六路10kv電源，分別對高壓電動機直配。在這個項目中，高壓電動機主要用于空調(diào)系統(tǒng)中的中央空調(diào)機組，以及主機的外部設(shè)備冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵多臺設(shè)備。這些設(shè)備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kw(共5臺)，小的870kw(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機560kw(共9臺)，冷凍水循環(huán)泵單機亦有380kw(共3臺)，自然功率因數(shù)在0.8左右。如果在10kv配電室集中補償電容，不采用高壓無功自動補償?shù)脑?，如此大容量的電動機起、停會使10kv側(cè)功率因數(shù)不穩(wěn)

11、定，有可能造成過補償，引起系統(tǒng)電壓升高。同時，從配電室至冷凍機房高壓電動機的線路最近50m，最遠140m，線路損耗相當可觀，綜合考慮到高壓自動補償元件、技術(shù)、價格均要求高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動機同時投切。高壓電容器組放置在電動機附近。這些電動機采用自耦降壓起動方式，高壓就地補償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設(shè)避雷器用于過電壓保護，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機的功率因數(shù)，降低了線路損耗，同時釋放了系統(tǒng)容量，縮小了饋電電纜的截面，節(jié)約了投資。對于低壓設(shè)備，由二臺1000kva及二臺1600kva變壓器配出，低壓電機布置較分散，因此，在變電所變壓器低

12、壓側(cè)采用電容器組集中自動補償。雖然一些低壓電動機的容量也不小，就地補償?shù)慕?jīng)濟效益亦有，但這些設(shè)備主要用于鍋爐房和給排水設(shè)備，鍋爐房的設(shè)備不如冷凍機房集中，環(huán)境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數(shù)大小自補償是較合適的。七 總結(jié)對無功功率進行補償?shù)墓?jié)能效果是有目共睹的，在應(yīng)用的過程中，還應(yīng)該在技術(shù)經(jīng)濟上綜合考慮，根據(jù)具體情況進行分析，來決定是采用集中補償還是就地補償，還是兩者綜合采用，從而達到使電氣設(shè)備經(jīng)濟運行的目的。 第二節(jié) 問題的提出最初的無功補償裝置采用并聯(lián)電容器，估算其容量然后死接在待補償線路上。這種用固定容量電容器進行補償?shù)姆椒ú荒苓m應(yīng)負荷無功的變化，而且電容器無功出力與運行

13、電壓平方成反比。當電力系統(tǒng)運行電壓降低時，補償效果降低；而運行電壓升高時，對用電設(shè)備過補償，使其端電壓過分提高，甚至超出標準規(guī)定，容易損壞設(shè)備絕緣，造成設(shè)備事故。這就發(fā)生了電容器的控制問題，即應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)無功的變化，對補償電容器進行相應(yīng)的投切 ?？煞譃槭謩雍妥詣觾煞N控制方式。手動投切難以適應(yīng)負荷無功的變化，現(xiàn)多采用自動控制裝置。現(xiàn)行的控制裝置大體可分為四種類型：（1） 電壓控制型（2） 時間控制型（3） 功率因數(shù)控制型（4） 兼而有之的混合型電壓控制型裝置的優(yōu)點是線路簡單造價低，易維護。適用于距離變電所較遠，負荷較大的變電所。其缺點是：控制本身與功率因數(shù)的關(guān)系不甚密切，且當電網(wǎng)電壓波動較快時，裝

14、置的動作比較頻繁。功率因素自動控制器發(fā)展至今大體經(jīng)歷了三個階段，具體如下：（1） 早期產(chǎn)品其缺點為檢測單元由相敏放大器構(gòu)成，而相敏放大器的晶體管始終工作在放大區(qū)。因此，相敏放大器輸出電壓的大小不可避免的受到了線路負載電流變化的干擾。給調(diào)試帶來了很大的困難，嚴重時使裝置工作失靈，甚至損壞晶體管。（2） 中期產(chǎn)品 中期產(chǎn)品主要在主控單元作了改進，采用了可逆計數(shù)器，并增加了自保護功能。但經(jīng)實踐檢驗發(fā)現(xiàn)，中期產(chǎn)品還有許多待改進之處，如由于硬件線路復(fù)雜，使故障率高且不易維修；自診能力、抗干擾能力差等。（3） 目前產(chǎn)品 近幾年，由于微機技術(shù)的應(yīng)用，使功率因數(shù)自動補償裝置的發(fā)展進入了一個新的階段，進一步加強

15、了主控單元的功能，集成化程度大大提高了，自診能力、抗干擾能力都得到了加強?，F(xiàn)有功率因數(shù)自控器存在的問題（1） 容易發(fā)生“投切振蕩”現(xiàn)象所謂“投切振蕩”是指在輕負荷狀態(tài)下，若投入一組電容器，則功率因數(shù)超過規(guī)定的上限；而切下這組電容器，功率因數(shù)又低于下限，因此發(fā)生反復(fù)投切的現(xiàn)象。（2） 容易發(fā)生“合閘涌流”現(xiàn)象電容器組投運合閘時，產(chǎn)生的合閘涌流，分兩種情況，第一種是單獨一組電容器的合閘涌流；第二種是已有一組或多組電容器運行，再投運一組電容器時的合閘涌流。（1） 單組電容器合閘涌流單獨一組電容器在第一次合閘投運的瞬間，即未充電狀態(tài)，流入電容器組的電流，只受其回路阻抗的限制。由于回路阻抗很小，與短路狀

16、態(tài)相似，將產(chǎn)生很大的沖擊合閘涌流，流入電容器組。涌流的最大值im發(fā)生在電容器組合閘瞬間，剛好系統(tǒng)電壓處于最大值um時。電容器組切除運行后，如果未經(jīng)放電，在再次合閘前的瞬間仍處于帶電狀態(tài)。如果這時把電容器組合閘投運，又處于系統(tǒng)電壓與充電電壓大小相等方向相反時，則合閘產(chǎn)生的涌流為未充電狀態(tài)合閘涌流的2倍。為避免帶電合閘，電容器組每次斷開后，必須充分放電，才能再重新合閘運行，或進行等電位投入。( b ) 多組電容器追加合閘涌流已經(jīng)有一組或多組電容器運行時，再投入一組電容器的合閘瞬間，將產(chǎn)生追加合閘涌流。追加電容器組與運行電容器組之間的距離很近，它們之間的電感很小，幾乎等于零。追加的電容器與短路狀態(tài)相

17、似，所以運行的電容器組將向它大量充電，全部沖擊合閘涌流，都將流入追加電容器組，這時的合閘涌流將達到很危險的程度。特別是系統(tǒng)電壓處于最大值的瞬間合閘時，追加涌流將達到最大值。（3） 投切方式不合理 現(xiàn)有功率因數(shù)自動控制器多數(shù)采用“順序投切”和“循環(huán)投切”方式，但不管那種方式，電容器都是一組一組的投入，而不是一步到位的投入，加之投切采用交流接觸器控制，不能頻繁快速的投切。采用交流接觸器，投切時易產(chǎn)生火花，影響接觸器的使用壽命，而且對附近無線電產(chǎn)生干擾。設(shè)計思路：無功補償對電網(wǎng)節(jié)能損耗有著極為重要的作用，而現(xiàn)有的負荷無功波動很大，現(xiàn)有無功自動補償裝置雖能自動跟蹤補償負荷的無功，但不易頻繁投切，不能適

18、應(yīng)動態(tài)的要求，致使當系統(tǒng)的功率因數(shù)變化比較大、較頻繁時，系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，并且投切時會產(chǎn)生“浪涌電流”對電容器不利。隨著單片機合電子測量技術(shù)的發(fā)展，可以實時測量系統(tǒng)的功率因數(shù)，通過單片機編程，根據(jù)測量結(jié)果進行一步到位的投切，補償程度可以根據(jù)具體線路進行設(shè)定，本設(shè)計就是要完成這樣的裝置，并考慮適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境，保證能長期、可靠的運行，不發(fā)生死機的現(xiàn)象。方案比選：方案一：電容器分為容量相同的八組，隨時檢測線路的功率因數(shù)，如果低于給定值，則單片機發(fā)信號，投入一組電容器，然后再檢測，只要低于給定值就再投入一組電容器，這樣反復(fù)檢測，直到功率因數(shù)達到給定值則停止投入。方案二：電容器分組采用8：4：

19、2：1（容量之比），可以組合成16種組合，隨時檢測線路功率因數(shù)，和給定值進行比較，查表得出補償?shù)浇o定功率因數(shù)需補償?shù)娜萘浚缓笠徊降轿坏耐度腚娙萜?。方案一投切所需的時間比較長，而且容易形成“投切振蕩”現(xiàn)象；方案二投切所需的時間很短，調(diào)節(jié)更加精細，且能一步到位的投切，不易造成反復(fù)投切而形成“投切振蕩”現(xiàn)象。所以我采用了方案二進行電容器的投切。 第三章 無功功率優(yōu)化動態(tài)補償裝置針對現(xiàn)有的電容器自動補償裝置的種種弊端，我們設(shè)計了此款無功功率優(yōu)化動態(tài)補償裝置，它主要應(yīng)用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)、配電網(wǎng)和變壓器低壓側(cè)戶外全自動跟蹤無功動態(tài)補償節(jié)電箱，對電力系統(tǒng)降損節(jié)能有重大的技術(shù)經(jīng)濟意義。第一節(jié) 裝置簡介一 裝置的主要技術(shù)特點：1.真正實現(xiàn)無功自動跟蹤投切。采用單片機對電網(wǎng)無功進行自動跟蹤監(jiān)測；對電容器投切電子開關(guān)進行全自動控制，響應(yīng)及時迅速，杜絕了對電網(wǎng)危害甚大的過補現(xiàn)象。2.實現(xiàn)了對電容的等電位投入，零電流切除，投入切除一步到位，不會發(fā)生“投切振蕩”和“合閘涌流”現(xiàn)象，