無功補償裝置技術和原理

1、2021/8/61無功補償裝置技術及原理2021/8/62無功補償裝置技術原理及內(nèi)容 無功功率與功率因數(shù)無功功率與功率因數(shù) 有功與無功的關系有功與無功的關系 影響功率因數(shù)的因素影響功率因數(shù)的因素 無功補償?shù)亩x及意義無功補償?shù)亩x及意義 無功補償常用的方法無功補償常用的方法 無功補償裝置無功補償裝置 SVC的發(fā)展和意義的發(fā)展和意義2021/8/63一、無功功率與功率因數(shù) 許多用電設備均是根據(jù)電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的無功并不是無用的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為

2、機械能、熱能而已；因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。無功功率單位為乏(Var)。 在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cos，其計算公式為： cos=P/S=P/（P2+Q2） 在電力網(wǎng)的運行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。 2021/8/64二、有功與無功的關系 有功功率常用P表示，無功一般用Q來表示，功率因數(shù)為cos,有功與無功有如下關系式表示：2021/8/65三、影響功率因數(shù)的因素 (1)

3、大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關的統(tǒng)計，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了6070；而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的6070。所以要改善異步電動機的功率因數(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。 (2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的1015，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。 (3)供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響。 當供電電壓高于額定值的10時，由于磁路飽和的影響，無功功率

4、將增長得很快，據(jù)有關資料統(tǒng)計，當供電電壓為額定值的110時，一般無功將增加35左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。 2021/8/66四、無功補償?shù)亩x及意義 交流電在通過純電阻的時候，電能都轉(zhuǎn)成了熱能，而在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载撦d的時候，并不做功。也就是說沒有消耗電能，即為無功功率。當然實際負載，不可能為純?nèi)菪载撦d或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們的時候，就有部分電能不做功，就是無功功率，此時的功率因數(shù)小于1，為了提高電能的利用率，就要進行

5、無功補償。 電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機等容性設備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率小電網(wǎng)電源向感性負荷提供無功功率。也即減少無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運行條件。這種做法稱為無功補償。 2021/8/67電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和電能質(zhì)量與無功功率有重大的關系。無功功率是電力系統(tǒng)一種不可缺少的功率。大量的感性負荷和電網(wǎng)中的無功功率損耗，要求系統(tǒng)提供足夠的無功功率，否則電網(wǎng)電壓將下降，電能質(zhì)量得不到保證。同時，無功功率的不合理分配

6、，也將造成線損增加，降低電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。無功功率最主要的來源是利用各種無功功率補償（以下簡稱無功補償）設備在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行無功補償。因此，無功補償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證電能質(zhì)量和實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行的基本手段。無功補償可以收到下列的效益：提高用戶的功率因數(shù)，從而提高電工設備的利用率；減少電力網(wǎng)絡的有功損耗；合理地控制電力系統(tǒng)的無功功率流動，從而提高電力系統(tǒng)的電壓水平，改 善電能質(zhì)量，提高了電力系統(tǒng)的抗干擾能力；在動態(tài)的無功補償裝置上，配置適當?shù)恼{(diào)節(jié)器，可以改善電力系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高輸電線的輸送能力和穩(wěn)定性；裝設靜止無功補償器(SVS)還能改善電網(wǎng)的電壓波形,減小諧波

7、分量和解決 負序電流問題。對電容器、電纜、電機、變壓器等，還能避免高次諧波引起 的附加電能損失和局部過熱。 2021/8/68五、無功補償?shù)姆椒?無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。 (1)低壓個別補償: 低壓個別補償就是根據(jù)個別用電設備對無功的需要量將單臺或多臺低壓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。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償個別大容量且連續(xù)運行(如大中型異步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償?shù)膬?yōu)點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。具有

8、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(yōu)點。 2021/8/69(2)低壓集中補償： 低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補償?shù)膬?yōu)點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。 (3)高壓集中補償： 高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的610kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的

9、高壓負荷時，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據(jù)負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。 2021/8/610按投切方式分類: 1. 延時投切方式延時投切方式即人們熟稱的“靜態(tài)”補償方式。這種投切依靠于傳統(tǒng)的接觸器的動作，當然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險的。當電網(wǎng)的負荷呈感性時，如電動機、電焊機等負載，這時電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個角度，當負荷呈容性時

10、，如過量的補償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。2021/8/6112. 瞬時投切方式瞬時投切方式即人們熟稱的“動態(tài)”補償方式，應該說它是半導體電力器件與數(shù)字技術綜合的技術結(jié)晶，實際就是一套快速隨動系統(tǒng)，控制器一般能在半個周波至1個周波內(nèi)完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現(xiàn)的。動態(tài)補償方

11、式作為新一代的補償裝置有著廣泛的應用前景。 3.混合投切方式實際上就是靜態(tài)與動態(tài)補償?shù)幕旌?，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補，但就其控制技術，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應用范圍，節(jié)能效果更好。補償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補償效果更加細致，更為理想。還可采用分相補償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。2021/8/612 4. 在無功功率補償裝置的應用方面，選擇那一種補償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補償?shù)木€路要有所了解，對于負荷較大且變

12、化較快的工況，電焊機、電動機的線路采用動態(tài)補償，節(jié)能效果明顯。對于負荷相對平穩(wěn)的線路應采用靜態(tài)補償方式，也可使用動態(tài)補償裝置。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機啟動也在幾秒鐘以上，而動態(tài)補償?shù)捻憫獣r間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是一個相對的穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)補償裝置能完成這個過程。2021/8/613六、無功補償裝置無功功率補償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量

13、提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。 電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機外，還有靜電電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。 (1)同步電機： 同步電機中有發(fā)電機、電動機及調(diào)相機3種。 同步發(fā)電機： 同步發(fā)電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功電源，當其在額定狀態(tài)下運行時，可以發(fā)出無功功率： Q=Ssin=Ptg 其中:Q、S、P、是相對應的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。 發(fā)電機正常運行時,以滯后功率因數(shù)運行為主,向系統(tǒng)提供無功，但必要時,也可以減小勵磁電

14、流,使功率因數(shù)超前,即所謂的進相運行，以吸收系統(tǒng)多余的無功。 2021/8/614同步調(diào)相機: 同步調(diào)相機是空載運行的同步電機，它能在欠勵或過勵的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步電機能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率，這是其優(yōu)點。但它的有功損耗大、運行維護復雜、響應速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運行。 并聯(lián)電容器： 并聯(lián)電容器補償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)發(fā)無功功率： Q=U2/Xc 其中：Q、U、Xc分別為無功功率、電壓、電容器容抗。 并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設靈活，節(jié)省

15、投資；由它向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機提供的無功功率。 2021/8/615靜止無功補償器： 靜止無功補償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對于控制信號反應極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當電壓變化時靜止補償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰?，同時還能做到分相補償；對于三相不平衡負荷及沖擊負荷有較強的適應性；但由于晶閘管控制對電抗器的投切過程中會產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。 靜止無功發(fā)生器： 它的主體是一個電壓源型逆變器，由可關斷晶閘管適當?shù)耐〝?，將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯(lián)接

16、入電網(wǎng)。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)。 與靜止無功補償器相比，靜止無功發(fā)生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時仍能向系統(tǒng)注入較大的無功。2021/8/616 無功功率補償控制器 無功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。選擇那一種物理控制方式實際上就是對無功功率補償控制器的選擇?？刂破魇菬o功補償裝置的指揮系統(tǒng)，采樣、運算、發(fā)出投切信號，參數(shù)設定、測量、元件保護等功能均由補償控制器完成。 2021/8/617七、靜止無功補償裝置電力負荷是隨時變化的，所需要的無功功率也是隨時變化的，為了維持無功平衡，

17、要求無功補償設備實行動態(tài)補償，即要根據(jù)無功負荷的變化及時投切電容器。以往的低壓動態(tài)無功補償設備以機械開關（接觸器）作為電容器的投切開關，機械開關不僅動作速度慢，而且會產(chǎn)生諸如涌流沖擊、過電壓、電弧重燃等現(xiàn)象，開關本身和電容器都容易損壞。據(jù)調(diào)查，我國過去使用的自動投切電容器無功補償裝置在使用3年后損壞率達75。隨著電力電子技術和微機控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，出現(xiàn)了智能型的動態(tài)無功補償裝置。這種以電力電子器件作為無功器件（電容器、電抗器）的控制或開關器件的動態(tài)無功補償裝置被稱為靜止無功補償裝置（SVC：Static Var Compensator）。SVC是動態(tài)無功補償技術的發(fā)展方向，它正成為

18、傳統(tǒng)無功補償裝置的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 2021/8/618 無功動態(tài)補償裝置工作原理與結(jié)構(gòu)特點無功動態(tài)補償裝置工作原理與結(jié)構(gòu)特點 無功動態(tài)補償裝置由控制器、晶閘管、并聯(lián)電容器、電抗器、過零觸發(fā)模塊、放電保護器件等組成。裝置實時跟蹤測量負荷的電壓、電流、無功功率和功率因數(shù)，通過微機進行分析，計算出無功功率并與預先設定的數(shù)值進行比較，自動選擇能達到最佳補償效果的補償容量并發(fā)出指令，由過零觸發(fā)模塊判斷雙向可控硅的導通時刻，實現(xiàn)快速、無沖擊地投入并聯(lián)電容器組。2021/8/619靜止無功補償技術的發(fā)展 靜止無功補償?shù)淖饔门c類型 對電力系統(tǒng)中無功功率進行快速的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)如下的功能 : （1）對動態(tài)無

19、功負荷的功率因數(shù)校正。 （2）改善電壓調(diào)整。 （3）提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。 （4）降低過電壓。 （5）減少電壓閃變。 （6）阻尼次同步振蕩。 （7）減少電壓和電流的不平衡。應當指出，以上這些功能雖然是相互關聯(lián)的，但實際的靜止無功補償裝置往往只能以其中某一條或某幾條為直接控制目標，其控制策略也因此而不同。此外，這些功能有的屬于對一個或幾個在一起的負載的補償效果（負載補償），有的則是以整個輸電系統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目標（輸電補償），而改善電壓調(diào)整，提高電壓的穩(wěn)定度，則可以看作是兩者的共同目標。 2021/8/620早期的無功補償裝置的典型代表是同步調(diào)相機。同步調(diào)相

20、機能進行動態(tài)的無功補償，至今在無功補償領域中還在使用，而且隨著控制技術的進步，其控制性能還有所改善。但同步調(diào)相機是一種旋轉(zhuǎn)的機械，其損耗、噪聲都很大，它正被靜止無功補償裝置（SVC）所取代。 SVC近年來獲得了很大發(fā)展，已廣泛用于輸電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的無功補償。早期的SVC是飽和電抗器（SR）型的，盡管它具有靜止型的優(yōu)點，但它需要工作在飽和狀態(tài)，損耗和噪聲都很大，而且存在非線性的問題，因而未能占據(jù)SVC的主流。采用并聯(lián)電容器進行無功補償有一系列的優(yōu)點，因而在電力系統(tǒng)的無功補償中獲得廣泛應用。 并聯(lián)電容器補償可采用固定電容器（FC）補償和開關投切電容器的自動補償。前者是不能調(diào)節(jié)的，不能進行動態(tài)補償

21、；后者用開關投切電容器，能進行動態(tài)無功補償。傳統(tǒng)的電容器動態(tài)無功補償裝置采用機械開關（接觸器或斷路器）投切電容器。機械開關的開關速度較慢，不可能快速跟蹤負荷無功功率的變化；而且投切電容器時常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣開關觸頭易受電弧作用而損壞，而且可能使電容器承受過電壓而擊穿。2021/8/621 隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，晶閘管開始用于SVC裝置中，出現(xiàn)了晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）這兩種基本結(jié)構(gòu)型式的SVC，以及它們的混合裝置，如TCRTSC、TCRFC等。 使用晶閘管對無功器件（電容器和電抗器）進行投切或控制的優(yōu)點是響應速度快，可以頻繁投切。因

22、此，使用晶閘管的靜止無功補償裝置近年來發(fā)展很快，靜止無功補償裝置（SVC）這個詞往往專指使用晶閘管等電力電子開關器件的靜止無功補償裝置。 SVC主要有晶閘管控制電抗器（TCR：Thyristor Control Reactor）、晶閘管開關電容器 （TSC：Thyristor Switch Capacitor）。比SVC更先進的無功補償裝置是靜止無功發(fā)生器 （SVG：Static VarGenerator）。 2021/8/622 晶閘管控制電抗器 (TCR) 晶閘管控制電抗器(TCR)無功補償裝置的單相原理圖如圖1.1所示。兩個反并聯(lián)的晶閘管(SCR)與一個電抗器(L)相串聯(lián)，其三相多接成三角形。這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當于交流調(diào)壓器電路接電感性負載。 2021/8/623 Svc工作原理： Svc稱為“靜止型動態(tài)無功補償器”，主要用于補償用戶母線上的無功功率，這是通過連續(xù)調(diào)節(jié)其自身無功功率來實現(xiàn)的。用Qs表示系統(tǒng)總無功功率，Qf為用戶負荷的無功功率，QL為晶閘管控制電抗器（TCR）的無功功率，Qc為電容器無功功率，上述平衡過程可以用如下公式來表達： Qs=