无功补偿技术的应用研究09142.docx
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无功补偿技术的应用研究09142
远程与继续教育学院
本科生毕业论文(设计)
题目:
无功补偿技术的应用研究
学习中心:
沈阳直属学习中心
层次:
专科起点本科专业:
电气工程及其自动化
年级:
2015年秋季
学号:
150********1
学生:
周胜文
指导教师:
姚晓妹
完成日期:
2017年07月21日
内容摘要
无功补偿技术可以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,延长设备使用寿命,因此需要开展相关研究,不断提升无功补偿技术在电气自动化中的应用成果。
本文分析对比无功补偿技术的国内外发展现状,根据无功补偿相关的基本理论知识,阐述了电力系统无功补偿的基本原理和基本方法及其在电力系统中的功能。
分析了目前无功补偿技术在电气自动化中的应用情况,并归纳了应用中存在的主要问题,且给出具体的解决措施。
同时分析总结了无功补偿技术应用的主要实现途径,并阐明无功补偿技术在电气自动化领域的应用策略。
关键词:
电气自动化;无功补偿技术;实现途径;应用策略
目录
内容摘要I
1绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2无功补偿的发展现状2
1.2.1无功补偿的发展2
1.2.2国内外研究现状2
1.3主要研究任务3
2无功补偿概念介绍及原理分析4
2.1无功功率4
2.1.1无功功率简介4
2.1.2无功功率的物理意义4
2.1.3无功功率的影响以及谐波的危害5
2.2功率因素6
2.2.1自然功率因数6
2.2.2功率因数的影响因素6
2.2.3提高功率因数的主要方法6
2.3无功补偿7
2.3.1无功补偿的基本概念7
2.3.2无功补偿与电压损失和功率损失的关系8
2.3.3无功补偿方式9
2.3.4无功补偿的意义10
3电气自动化中的无功补偿技术的应用及不足12
3.1电气自动化中无功补偿技术的应用12
3.2电气自动化中无功补偿技术应用中存在的问题12
3.3进一步提高无功补偿技术应用的措施12
4无功补偿技术应用的实现途径和应用策略14
4.1实现无功补偿技术应用的途径14
4.2无功补偿技术的应用策略15
4.2.1运用并联混合有源滤波器对低压电网补偿15
4.2.2开辟无功补偿技术在电气自动化系统中新的应用方向16
4.2.3努力解决无功补偿应用过程中存在的主要问题16
结论17
参考文献18
1绪论
1.1研究背景与意义
当今,随着社会的变化和发展,人们除了满足物质上的需要以外,还需要尽量丰富精神生活,这就需要更多的水电方面的支持,造成电力编制所承受的负荷也逐渐变得越来越重。
尤其是近些年来,电力负荷快速增长和发电厂装机容量和输电线路容量不足,导致全国部分地区电力供应质量相对很差,导致人们的日常生活受到很大的影响。
但在当今科学技术飞速发展的今天,电力市场政策的开放使得广大人民对供电质量的要求也一天比一天高。
因此,不管是在电力生产或者企业各个领域,电力系统的经济都值得被关注。
那么,为了确保电力系统的经济运行,通过什么方法使系统的运行,有功功率,无功功率损耗减小,不影响供电企业和电力用户的电力质量,这是电力系统的目标。
系统消耗能量有很多原因。
例如,在配电系统中,储存了更多的感性负载,并且在传输过程中将会丢失许多无功功率,并且系统的能量消耗将被降低。
当
的数值达到一定程度时,系统的有功和无功损耗将发生很大变化,会增加很多,这将导致电力质量的下降。
电力质量下降不仅是造成住宅电压不稳定性如此简单,严重的时候会对工农业的生产等形成比较大的影响,甚至会给各种航空等领域的科学研究带来麻烦,使经济发展缓慢。
电厂通过各种发电方式的进行电能的输送,在变电站,输电线路和各种电力设备中,都会造成电力损失。
通过相关知识的研究,我们可以理解,配电网结构的合理布局在提高电力质量和降低消耗方面发挥着关键作用。
降低能耗最有效的措施之一就是无功补偿。
运输三相电的用户电质问题、性能问题、电气配置落后等问题都会引起电网无功功率失衡。
在电力系统中,通过两个方面衡量电能质量,一个是电压和另一个是频率。
为了获得满足要求的电能质量,有必要确保电压和频率不超过规定的范围。
在系统中,有功功率影响频率和无功功率,换句话说,可以在控制有功功率和无功功率的前提下实现合格的频率和电压。
控制电压的最佳方法是补偿系统中的无功功率。
赔偿方式是多种多样的,但最有效和最不受影响的是过度赔偿。
合理选择补偿能力和补偿方式,可以有效地使系统电压合并在有效范围内,降低浮动电压,降低系统损耗,实现经济运行目标。
在电力系统中,无功功率与系统经济运行和电力质量的支持之间存在密切的关系。
如果在输送电力的体系中无功功率不足,就会造成网络电压会下降,消耗增加,有功功率将会下降,影响电网频率,损害电力质量。
但系统无功配电不合理,将形成一条输电线路损耗变得越来越多的电力投资。
缺乏无功功率和无功补偿分配等问题也随之产生,无功补偿是改善经济运行体系的主要途径。
无功补偿技术得到了越来越多的关注,因此,对配电网的实际情况进行无功补充和优化设备钻井具有重大现实意义和可行性。
1.2无功补偿的发展现状
1.2.1无功补偿的发展
无功补偿全称无功功率补偿,是一种在电力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,改善供电环境的技术。
无功补偿装置首先是从国外兴起的,从1980年初到1990年末,无功补偿装置开始慢慢发展起来,首先是较慢的机械开关,然后发展成为切换速度快,甚至是晶闸管控制装置。
一开始,无功补偿装置主要是无源装置,补偿方法是在传输线上并联或串联系统总线中的电容器或电抗器的一定容量,改变网络参数,从而改变无功功率并减少网络有效损失但该设备在短时间内不能改变系统电压波动。
因此,自20世纪70年代以来,SCR反应器(TCR),晶闸管开关电容器(TSC)混合器和两个(TCR+TSC)组成的静态无功补偿器(SVC)的重要形式的大型控制系统已经迅速发展。
随着许多功率型全控电力电子设备的出现,无功补偿技术的发展速度越来越快。
由于电容器本身的局限性,分流电容器的无功补偿装置的进一步发展也受到限制,发展前景堪忧。
在无功补偿过程中,无功功率应传输到电网,无功功率全部由电容器产生。
它是机械无功开关装置或晶闸管无功补偿装置。
但是电容器本身作为与输入形式分类相匹配的存储元件很难以各种方式断路,因此只能将无功电流调整到固定范围,以实现连续的无功补偿。
接下来,无功补偿的发展趋势将转变为无功功率和谐波的综合补偿。
1.2.2国内外研究现状
首先,无功补偿是将电容器或电抗器与公共开关开关组合在一起,以补偿系统的无功功率,提高无功功率分配,减少损耗。
然而,原来的开关将产生很大的冲击电流,这可能导致电弧,这将影响电气设备的使用寿命,并且补偿结果不是特别令人满意。
但随着科技的发展,早期的无功补偿装置逐渐使运动越来越好,动态无功补偿装置已经被替代。
不管国内还是国外,从上世纪50年代初开始,都开始研究无功补偿装置。
对于广大居民的用户和各种小型工厂等低压电源用户,补偿措施纳入电网并联电容器,由无功功率产生的无功补偿系统无功,无降低线路损耗,提高电源质量目标。
与大企业的电力相比,只有通过并联电容器对系统的无功功率不足以进行无功补偿,经过一系列研究发现,采用同步电机励磁方式改变无功补偿方式可以实现效果好当然,时代的更新必须伴随着各种技术和设备的升级。
与无功补偿技术相比,国内外专家不时学习,在大量研究的基础上,效果也非常显着。
基于模糊理论和神经网络的现代并联无功功率控制为配电系统无功补偿提供了完美的补偿方法和补偿效果。
最近有很多国内外专家学者对电力总结经验和学习经验进行了研究,并提出了基于新理论和新的电力方式的大量无功功率控制系统,并已成为部分的研究成果应用于生产。
例如,晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管开关电容器(TSC)和混合TCR+TSC器件或晶闸管控制电抗器和固定电抗器(FC)或机械开关电容器(MSC)混合使用装置。
这些都可以应用于国内电力系统实际补偿装置中使用最广泛的SVC,已成为配电系统无功补偿,降低能耗,提高电力质量,维持电力的重要技术措施还包括对电网电压进行维持保护。
1.3主要研究任务
本文分析对比无功补偿技术的国内外发展现状,根据无功补偿的基本理论、无功功率的相关理论知识,阐述了电力系统无功补偿的基本原理和基本方法及其在电力系统中的功能,解释无功补偿的必要性。
分析目前无功补偿技术在电气自动化中的应用情况,并归纳了应用中的主要问题,给出具体的解决措施。
分析总结无功补偿技术应用的主要实现途径,并阐明无功补偿技术在电气自动化领域的应用策略。
2无功补偿概念介绍及原理分析
2.1无功功率
无功补偿即无功功率补偿无功补偿全称无功功率补偿,是一种在电力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,改善供电环境的技术,首先介绍无功功率。
2.1.1无功功率简介
在电网中,共分为两种供电方式。
其中一个是有功功率,另一个是无功功率。
有功功率为电力设备的正常运行提供电力,并将电能转换为其他形式的电能。
无功功率的表述相对来说比较抽象,通常它被用在电场的电场和磁场中,用于创建和支持电气设备中的磁场的电力。
其实这本书“无功功率”并不是无用的电力,而是其能量转换的能量形式有所限制,不能转化为机械能,热量等。
所有电磁配置的线圈,产生磁场,都有必要失去无功功率。
由于这种电源在外部不工作,所以称为“无功功率”,在供电系统中,除有源电源外,还需要无功供电,这两种电源必须同时存在,否则都不能正常工作。
无功功率是非常重要的物理量。
在正弦稳态电路中,存在无功功率系统的能量交换,但是不损耗功率,可以测量能量的变换幅度;在非正弦电路中,学校有两种无功功率定义。
第一个是经典无功功率理论。
根据布德亚努的定义,在傅里叶级数和频域分析的基础上阐述了无功功率。
二是基于Fryze的定义,采用时域分析方法。
与前者不同,傅立业系列不需要分解,其出现是定义无功功率的新方法。
无功功率的符号用Q表示,单位有乏(var)、千乏(Kvar)、兆乏(Mvar)。
2.1.2无功功率的物理意义
在具有电感器和电容器的AC电路中,电感器的电场和电容器的电场在环路的一部分中从电源吸收能量,而另一部分时间将能量返回到电源。
在能量吸收和回归的整个过程中,平均功率为零,但这并不意味着能量之间不存在交换。
实际上,功率和电感之间或电源和电容器之间存在能量,而且过程中的最大能量交换称为无功耗。
“这个解释表明,无功功率的物理意义是能量的交换,主要是在交流电源和负载之间。
2.1.3无功功率的影响以及谐波的危害
(1)无功功率的影响:
电流和视在功率增加的基本原因是系统中无功功率的增加。
因此,发电机,变压器,输配电线路和其他电气设备的容量增加。
同时,各种生产零件的尺寸和测量精度将会变大,对生产和生活将产生很大的影响。
(2)无功功率的增加导致线路总电流的增加,使各种电气设备和输电线路的损耗增加。
(3)无功功率的增加将导致电路和变压器之间的电压降的增加,并且电压降的增加将不可避免地带来一些不良影响。
在无功无功负载中,较大的电压降将导致系统的电压波动,这将大大降低供电质量,给供电企业带来一些损失。
谐波的危害:
不管是高压的电力使用居民还是绝大多数居民使用的电力,我们希望得到更稳定的电压,严格来说,电压应该具有固定的幅度和恒定的频率。
但是如果谐波出现在稳定的电压下,对电压和整个电网的质量影响很大。
谐波的存在无疑是公共电网的一种污染。
这种污染对系统部分的影响就像垃圾对人们生活的影响。
后果是严重的,不能忽视。
近几十年来,随着电网各种电气设备的不断更新,谐波的影响逐渐扩大,引起了人们的关注。
为此,有关专家对和谐进行了一系列的讨论,取得了一定的成果。
谐波对电力系统的危害包括以下几个方面:
(1)由于电力系统存在谐波造成的额外损耗使得发电效率,传输效率和电气设备利用率下降。
更重要的是,通过系统中性线的大量高次谐波将导致线路加热过度损失,甚至发生火灾。
(2)谐波的存在将影响各种电气设施的正常实施。
例如,电机的额外损耗,运行期间的异常振动和噪音,变压器的局部过热以及功率电容器。
电力电缆等设备的绝缘老化也与谐波有关。
(3)并联谐振和串联谐振是彼此熟悉的,但谐波通过谐振回路时,破坏力会被放大,使得上述危害大大增加,甚至造成严重事故。
(4)在继电保护中,谐波可能导致各种保护装置的错误动作,继电保护装置的保护装置由于谐波而不由线路故障引起的甚至损坏设备;一定影响电表的功率测量精度将是谐波。
(5)谐波会对附近的通信系统产生一些干扰,轻微的干扰会产生噪音,对通信有一定的影响。
当谐波影响严重时,会导致通信工作无法继续。
2.2功率因素
2.2.1自然功率因数
在功率三角形中,有功功率P与表观功率S的比值称为功率因数,其计算公式为:
。
电流的电压与相位差之和等于
。
在电力系统的运转时,
的大小显示了电源所输出的视在功率被系统有效使用的程度,利用率越高越好,即
越大越好。
我们用减少无功的方法来增大比值,这样一来就会有更多的视在功率供应有功功率,以此来提高电能传输的功率。
2.2.2功率因数的影响因素
(1)异步电动机、电弧炉及电焊机等装置在工作时都会消耗掉很大比例的无功功率。
根据相关调查数据显示,在大型电力企业中,异步电动机所消耗的无功在系统总消耗无功中占60%~70%;而异步电动机空载时所消耗的无功在电动机消耗总无功中所占的比例也是较大。
所以,异步电动机空载会使功率因数降低。
(2)功变压器空载也会构成功率因数的降低,依据调查变压器的满载无功功率约为空载时的1/3。
(3)电源电压超出规定的标准范围也会造成功率因数在较大范围内变化。
如果电源电压出现不稳定现象,也会使得功率因数的数值受到影响,大小发生变化。
当电源电压高于额定值时,无功功率将上升很快。
根据调查,当电源电压为额定值的110%时,一般无功功率将增加约35%。
当电源电压低于额定值时,无功功率将相应减小,已经发生降低的
。
的数值还会增加,尽管当电压低于相对应的额定值时,
会上升一定数量,但在较低的电压下,某些电器设备长时间不间断工作,依然会影响机器的工作效果和自身的使用寿命。
2.2.3提高功率因数的主要方法
实际上想增大自然功率因数需要耗费的成本并不太多,因为在整个优化系统的过程中都不需要使用补偿设备,只能通过系统在每个部分进行无功电源管理或采取一些措施在技术上可以减少消耗的设备数量,这种方法还可以节省投资时间。
一些有效的措施如下:
(1)合理使用电机,尽量避免机器处于空载状态或者一直超载使用。
(2)定期检查异步电机,提高工作质量。
(3)同步电机的使用,同步电动机的励磁电流在运行中,无功功率成本取决于转子,在低励磁状态下,定子绕组感应吸收无功功率到电网,以激励形式,定子绕组到电网电抗发送功率因此,同步电动机被看做具有恒定速度和长操作功率的机器。
(4)提高变压器的容量和运行方式,使它的工作状态一直处于最佳。
对于低负荷率配电变压器,需要采取一定的措施将负载率提高到额定值,从而提高功率因数。
2.3无功补偿
2.3.1无功补偿的基本概念
电网输出功率分为二种方式,一个是直接的电力消耗,在将电能转化为其他形式的能源的过程中,使用能量来实现各种效果,这种功率被称为有功功率。
另一种类型的电力被称为无功功率,其在操作系统的过程中不消耗电能,而是将其从一个状态转换到另一个状态,但这对于电气设备的正常运行是至关重要的。
电网中的无功功率包括同步发电机,同步调节器,传输线电源,静态补偿器和并联电容器。
并联电容器是电源的容性负载。
主要目的是补偿由电源传输的感性负载,并最小化在网络中传输的无功电流。
分流电容器结构简单,安装维护方便,维护成本低,广泛应用于配电系统。
无功补偿的详细方法是将电容式设备与一个电路中的感性负载相连,从而在感性和容性负载之间交换能量。
因此,容性负载可以为感知负载提供所需的无功功率。
图1是一个波形的电感和电容器的能量互补由下图可知,
与
在相位上差180°,二者方向正好相反。
必须存在L和C的电流相等的情况,并且在完全补偿的情况下,L将不再能量交换能量并切换到C.在能量变化之前,电感负载不被补偿,具体情况如图2.1中(a)所示,图(b)描述的是补偿之后电容的能量增多减少波形,图(c)为补偿之后电流波形。
图2.1补偿后电流波形及补偿前后能量的转换
2.3.2无功补偿与电压损失和功率损失的关系
(1)无功补偿对电压损耗造成的结果
补偿前电压损失为:
(2-2)
补偿后电压损失为:
(2-3)
补偿之后电压减小值为:
(2-4)
从上述各种公式中可以看出,当电容器开始工作时,电压值与线路损耗补偿容量成比例,可以看出,无功补偿可以使电压质量比以前更好,也具有一定的调节效应。
(2)无功补偿对功率损失的影响
补偿前功率损失:
(2-5)
补偿后功率损失:
(2-6)
补偿后功率损失减少值为:
(2-7)
以功率因数表示功率损失为:
(2-8)
补偿后功率损失下降率为:
(2-9)
2.3.3无功补偿方式
变电所低压侧集中补偿、变电站高压侧集中补偿、配电线路补偿、就地补偿是配电线路无功补偿的主要方式
(1)变电站低压侧集中补偿:
相干规则表明,将无功供电集中在配电变压器的低压侧更为合适。
低压侧的集中补偿是在配电变压器的两侧安装相应的无功补偿设备,以减少系统损耗,提高供电质量。
补偿强度是与这种方法相关的是相对单一的,同时在设备维护和治理上也比较方便,更重要的是这种方法可以更好地利用变压器来提高电力质量并降低网络消耗。
但是这种方法也有一些缺点:
当区域变压器数量大时,安装地址不集中,设备投资过大时不会很有效地补偿。
(2)高压变电站集中补偿:
在10kV变电站总线中通常采用这种补偿方式,通常将静态无功补偿器(SVC),并联电容器安装到无功补偿系统附近的总线,以增加数值需求。
这种补偿方法的好处很容易理解,适合使用,但不适用于输电线路。
(3)配电线路补偿:
线路补偿是配电线路上放置设备的无功补偿方法。
主要目的是提高功率因数,减少损耗和提高电压。
但大多数配电线路位于上层空气中,每条线路的方向不同。
安装困难,投资大。
所以安装环境和成本是这种方法的主要问题。
配电线路的补偿主要是供电线路和变压器所需的无功功率。
缺点是环境要求高,适应性差。
如果端子负载较大,则电源补偿不足。
(4)就地补偿:
电机的局部补偿是无功补偿装置与电机的直接连接,使补偿装置同时与电机一起工作,并在必要时提供无功功率。
在大多数工厂中,电机的无功功耗实际上是最大的,如果电机补偿容易使电机消耗无功补偿,电机输出后的无功功率平衡将相应增加,这种方法不仅提高了无功功率:
用一个箭头射击两只鹰,提高电机的工作效率。
这种补偿方法有很多优点,已被广泛应用。
但是缺点是一旦电机停止,补偿装置就不能工作。
2.3.4无功补偿的意义
无功功率随时变化,整个时间段的平均值为零。
因此,为了使发电机变压器在系统中一两台设备能够充分发挥其作用,应有可能缩短交货时间,这是无功补偿的意义所在。
首先对感性负载进行分析,从
可看出电压超前电流90度,同理UC=IC/jωC中电压滞后电流90度,在图2-2中,我们最先对无电容电路分析,由于感性负载电流滞后电压,此时它们矢量关系如图2.3。
其中有功分量为横坐标分量与电压的乘积,纵坐标分量乘积就是无功分量。
当我们在电路中并连电容C,此时会出现电流
,则有,
,但横坐标的分量一直不变是不会改变的,这是因为电容的增减与是否进行无功补偿,对有功功率不造成影响。
相对于容性负载,电流超前电压,所以并联电容后电流如图2.2中所示。
功率因数角由
减小到
,
变大,总结如下:
图2.2感性负载接线图图2.3电流与电压向量图
(1)提高用电设备的有功出力:
由
可知,当视在功率不变,功率因数
提高会使P值增大,即有功出力升高。
根据计算可以推出功率因数大小对系统有功出力影响较大。
通过无功补偿提高功率因数,可以使视在功率中电气设备占据的比例变小,由
功率因数越大S越小。
提高电力设备的有功功率输出:
通过了解功率固定,功率因数将增加P值,即有功功率的增加。
根据计算,可以引入功率因数,系统的有功功率将受到很大的影响。
通过提高功率因数无功补偿,可使电力设备占用的比例越小,功率因数越小,功率因数越大。
(2)降低负载电流:
对于对称三相负载,一般负载的有功功率固定,电压U为固定值。
一旦功率因数上升,电流I就会减小。
因此,通过减小负载电流可以提高功率因数。
3电气自动化中的无功补偿技术的应用及不足
3.1电气自动化中无功补偿技术的应用
在电气自动化系统的设计中,根据系统变压器的容量和数量以及电力牵引设备的类型,进行优化选择,降低线路电阻,提高线路功率因数。
同时,在满足其他要求的条件下,有必要采用同步电机或空闲工作系统,提高电力企业的自然功率因数。
当提高耗电企业自然功率因数的方法仍然难以协同工作时,需要使用无功补偿装置完成。
具体有以下三点:
一是基本无功补偿,应用于变电站集中补偿分配,并补偿布置具有自动调整功能,以避免无功负荷补偿造成的过度放下现象。
二是电容器对无功负载电压电平的选择为基础,对于低压无功负载,使用低压电容补偿,并对高压无功负载,采用高压电容补偿。
三是为连续运行,容量大,负载稳定,当无功功率值计算值超过100kvar时,应在无功补偿和负载附近保证补偿装置和同步开关电路设备。
无功补偿技术的应用对于电气自动化系统能耗的降低以及电网质量的提升起着决定性的作用。
因为无功补偿设备和电气自动化设备之间存在着千丝万缕的联系,两者相辅相成,所以选择什么样的无功补偿设备一定要先弄清楚电气自动化设备的供电需求,这样才能更好的发挥电网功率在供电系统中的作用,同时还可以对变压器电能的消耗进行补充,进而改善供电环境。
3.2电气自动化中无功补偿技术应用中存在的问题
(1)谐波对无功补偿装置的危害
一方面,电气自动化中谐波将缩短无功补偿设备的使用寿命,增加电气自动化系统的维护和维修成本,不符合经济效益;另一方面,无功补偿装置在实际应用中,由系统产生的谐波将导致系统本身等设备故障。
(2)无功补偿配置在电力输送中不合理
当无功电流被发送到变电站时,特别是在长距离输送期间,由于它将通过多个变电站,所以将导致无功电流的传输。
而且如果无功电流过大,而采用整组投切方式来补偿电容量,不单电力的平衡不可能实现,由于高负载会加重补偿的产生。
3.3进一步提高无功补偿技术应用的措施
(1)让用户树立正确的用电观念
定期组织用户培训,宣传无功补偿技术在电气自动化中的重要影响及作用,让用户了解掌握无功补偿与电能损耗的实际关系,使用户建立正确的用电观念,并时刻保持节能意识,这可以一定程度上减少电能的内部损耗,节约电能。
(2)加强有效补偿
对于配电网的低压侧,由于传输距离太远或设备关系会造成电能的损耗或无功功率传送的降低,需要考虑在配电网中的低压电容器组时,加强有效的补偿。
(3)确定变电站无功补偿的实际电容量
应考虑到区域差异,根据不同区域的实际情况差异确定无功功率补偿的实际电容量大小。
同时各地的变电站也会有区别,根据不同地区的实际情况,应用无功补偿技术对变电站进行无功补偿,及时将新的工艺、新的技术、新的设备运用到无功补偿中。
另外要注意技术人员的技
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