電力系統(tǒng)無功功率動態(tài)優(yōu)化補償裝置

1、 大學(xué)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(xiàn)：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?dāng)，可以提高供電效率，減少

2、線路損耗，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(jìn)行補償，補償?shù)某潭瓤梢跃唧w線路進(jìn)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(jìn)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(xì)。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

3、零自然關(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。 46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(jì)50年代初就開始進(jìn)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(dá)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(fù)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(dá)到較好的補償效果，就必須動態(tài)跟蹤電路特性的

4、變化，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?；镜墓β室驍?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(rèn)為u2u1，則 (2-2)當(dāng)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(rèn)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(dāng)于原來的80。（三）減少了線路的壓降由于

5、線路傳送電流小了，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(fù)荷電流減小，因此向負(fù)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(jì)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

6、，就可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(dāng)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(biāo)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(jì)運行第7.6條規(guī)定：50kw以上的電動機應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)就地補償。

7、2、gb348583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(fù)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

8、組投切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(dāng)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(jìn)行負(fù)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(fù)荷因數(shù)。（二）電動機就

9、地補償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(fù)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(fù)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

10、生，實現(xiàn)能源綜合利用。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)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(fù)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(dá)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

11、數(shù)不穩(wěn)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(yuǎn)140m，線路損耗相當(dāng)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(hù)，裝設(shè)避雷器用于過電壓保護(hù)，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

12、壓器低壓側(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(jì)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(jìn)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(jì)上綜合考慮，根據(jù)具體情況進(jìn)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(dá)到使電氣設(shè)備經(jīng)濟(jì)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(jìn)行補償?shù)姆椒ú荒苓m應(yīng)負(fù)荷無功的變化，而且電容器無功出力

13、與運行電壓平方成反比。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行相應(yīng)的投切 。可分為手動和自動兩種控制方式。手動投切難以適應(yīng)負(fù)荷無功的變化，現(xiàn)多采用自動控制裝置?，F(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(hù)。適用于距離變電所較遠(yuǎn)，負(fù)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動較快

14、時，裝置的動作比較頻繁。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(fù)載電流變化的干擾。給調(diào)試帶來了很大的困難，嚴(yán)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(jìn)，采用了可逆計數(shù)器，并增加了自保護(hù)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(jìn)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(jìn)入了一個新的階段，進(jìn)一

15、步加強了主控單元的功能，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。現(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(fù)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

16、短路狀態(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(jìn)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

17、狀態(tài)相似，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(dá)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(dá)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(fù)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(fù)荷的無功，但不易頻繁投切，

18、不能適應(yīng)動態(tài)的要求，致使當(dāng)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(jìn)行一步到位的投切，補償程度可以根據(jù)具體線路進(jìn)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(dá)到給定值則停止投入。方案二：電容器分組采用8

19、：4：2：1（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(jìn)行比較，查表得出補償?shù)浇o定功率因數(shù)需補償?shù)娜萘?，然后一步到位的投入電容器。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(xì)，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(jìn)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(jì)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(jìn)行自動跟蹤監(jiān)測；對電容器投切電子開關(guān)進(jìn)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)