低壓無功補償裝置的設(shè)計畢業(yè)論文

1、目 錄摘 要 Abstract第第 1 章章 緒論緒論11.1 無功功率的危害1第第 1 章章 緒論緒論21.1 無功功率的危害21.2 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀31.2.1 無功功率補償?shù)姆诸?1.2.2 無功功率補償技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向41.3 本文研究的主要內(nèi)容4第第 2 章章 無功功率理論無功功率理論52.1 無功補償?shù)淖饔?2.2 功率因數(shù)的概念52.3 無功補償?shù)幕驹?2.4 提高功率因素意義6目前國內(nèi)主要補償方案簡介82.6 目前主要的無功補償裝置存在的缺點10第第 3 章章 低壓無功補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)低壓無功補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)113.1 低壓無功補償?shù)脑O(shè)計要求11無觸點投切和無級調(diào)

2、節(jié)113.2.1 基本原理113.2.2 投入時刻的選取123.2.3 方案的改進133.2.4 觸發(fā)電路143.2.5 無級調(diào)節(jié)161.2 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀171.2.1 無功功率補償?shù)姆诸?71.2.2 無功功率補償技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向181.3 本文研究的主要內(nèi)容18第第 2 章章 無功功率理論無功功率理論192.1 無功補償?shù)淖饔?92.2 功率因數(shù)的概念192.3 無功補償?shù)幕驹?02.4 提高功率因素意義20目前國內(nèi)主要補償方案簡介222.6 目前主要的無功補償裝置存在的缺點24第第 3 章章 低壓無功補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)低壓無功補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)253.1 低壓無功補償?shù)脑O(shè)計要

3、求25無觸點投切和無級調(diào)節(jié)253.2.1 基本原理253.2.2 投入時刻的選取263.2.3 方案的改進27 觸發(fā)電路283.2.5 無級調(diào)節(jié)303.2.6 數(shù)據(jù)采樣31第第 5 章章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計335.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計335.2 系統(tǒng)硬件的各部分組成及功能33中央控制單元335.2.2 模擬輸入電路36(1) 電壓互感器電壓互感器 SPT204A37(2) 精密互感器精密互感器 SCT254AK38(3) 80C196KC 中的中的 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器405.2.3 程序存儲單元445.2.4 輸出單元46結(jié)束語結(jié)束語49參考文獻參考文獻50低壓無功補償

4、裝置的設(shè)計低壓無功補償裝置的設(shè)計摘 要：隨著電力系統(tǒng)負荷的增加，對無功功率的需求也日益增加。由于無功功率在電網(wǎng)中傳輸會造成網(wǎng)絡(luò)損耗以及受電端電壓下降，因此大量的無功功率在電網(wǎng)中傳輸必然使電能利用大大降低且嚴重影響供電質(zhì)量。在電網(wǎng)中的適當位置裝設(shè)無功補償裝置成為滿足電網(wǎng)無功需求的必要手段。本文研究一種適合于低壓配電網(wǎng)進行集中無功補償?shù)木чl管投切電容器裝置（Thyristor Switch Capacitor-TSC） 。針對傳統(tǒng)的有觸點和無觸點的無功補償裝置的有級無功補償?shù)娜秉c，研究了采用光電雙向可控硅驅(qū)動器MOC3061 控制雙向晶閘管來實現(xiàn)電容器無級投切的無功補償方法。本文采用 80C196

5、KC 單片機芯片作為無功補償裝置的控制系統(tǒng)的核心，該裝置是以無功功率最小作為控制策略，以電壓作為約束條件。該無功補償裝置是由主電路、檢測電路、控制電路、驅(qū)動電路四部分組成。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的快速、準確補償，在低壓城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)中具有較好的實用性以及廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：無功補償；晶閘管；80C196KC 單片機；電容器投切The design of lowvoltage reactive power compensator deviceAbstract: Due to increasing loads of electric power system, demand on reactivep

6、ower was also increasing. Because transmission of reactive power in electric network can lead to network loss and step-down voltage, transmission of a great deal of reactive power necessarily resulted in reduction of using efficiency of power energy and severely effected voltage quality. It became n

7、ecessary means that reactive power compensation devices were installed in proper position of electric network.A TSC reactive power compensation device which was fit for low-voltage distribution network was introduced in this paper.80C196KC was a sort of cheap Single Chip Microcomputer and was applie

8、d to control system of reactive power compensation device which includes 4 main parts: main circuit, measuring circuit, control circuit and drive circuit. It processed preferably practicability and wide application foreground in low voltage city network and country network. Keywords：reactive compens

9、ation; Thyristor; 80C196KC Singlech; Switching of capacitor第 1 章 緒論 1.1 無功功率的危害在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，而且存在無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，它的能量只是在電源及負載間進行傳輸交換，但是在這種能量交換的過程會引起電能的損耗，并使電網(wǎng)的視在功率增大，這將對系統(tǒng)產(chǎn)生以下一系列負面影響：（1）電網(wǎng)總電流增加，從而會使電力系統(tǒng)中的元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等容量增大，使用戶內(nèi)部的起動控制設(shè)備、量測儀表等規(guī)格、尺寸增大，因而使初投資費用增大。在傳送同樣的用功功率情況下，總電

10、流的增大，使設(shè)備及線路的損耗增加，使線路及變壓器的電壓損失增大。（2）電網(wǎng)的無功容量不足，會造成負荷端的供電電壓低，影響正常生產(chǎn)和生活用電；反之，無功容量過剩，會造成電網(wǎng)的運行電壓過高，電壓波動率過大。（3）電網(wǎng)的功率因數(shù)低會造成大量電能損耗，當功率因數(shù)由下降到時，電能損耗將近提高了一倍。 （4）對電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備來說，無功電流的增大，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，如過度增加勵磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過允許溫升。為了保證轉(zhuǎn)子繞組正常工作，發(fā)電機就不允許達到預(yù)定的出力。此外，原動機的效率是按照有功功率衡量的，當發(fā)電機發(fā)出的視在功率一定時，無功功率的增加，會導(dǎo)致原動機效率的相對降低。目前，

11、隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，工廠大量使用大功率開關(guān)器件組成的設(shè)備對大型、沖擊型負載供電，這使電能質(zhì)量問題日益嚴重。如果，不進行無功補償，在正常運行時，會反復(fù)地使負載的無功功率在很大的范圍內(nèi)波動，這不僅使電氣設(shè)備得不到充分的利用，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加，甚至還會導(dǎo)致設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓。在我國電力工業(yè)發(fā)展過程中，因多年“重發(fā)電、輕供電”思想的影響，造成電網(wǎng)建設(shè)落后，結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致城市和農(nóng)村配電網(wǎng)無功補償不足，電能質(zhì)量不高等。系統(tǒng)無功對電壓影響大。無功功率的不足或過大，將引起系統(tǒng)電壓的下降或上升，從而造成電能的損失和浪費十分嚴重。從微觀角度看，隨著電網(wǎng)容量的擴增，用戶家用電器感性負載的不斷增加

12、，使得城市配電網(wǎng)公用變低壓側(cè)功率因數(shù)較低。以長沙市為例，統(tǒng)計表明，城網(wǎng)的公用變低壓側(cè)功率因數(shù)均在之間。過低的功率因數(shù)導(dǎo)致公用變低壓側(cè)線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。用電高峰期，用戶末端電壓遠遠低于國家標準，而用電低谷期，第 1 章 緒論 1.1 無功功率的危害在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，而且存在無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，它的能量只是在電源及負載間進行傳輸交換，但是在這種能量交換的過程會引起電能的損耗，并使電網(wǎng)的視在功率增大，這將對系統(tǒng)產(chǎn)生以下一系列負面影響：（1）電網(wǎng)總電流增加，從而會使電力系統(tǒng)中的元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等容量

13、增大，使用戶內(nèi)部的起動控制設(shè)備、量測儀表等規(guī)格、尺寸增大，因而使初投資費用增大。在傳送同樣的用功功率情況下，總電流的增大，使設(shè)備及線路的損耗增加，使線路及變壓器的電壓損失增大。（2）電網(wǎng)的無功容量不足，會造成負荷端的供電電壓低，影響正常生產(chǎn)和生活用電；反之，無功容量過剩，會造成電網(wǎng)的運行電壓過高，電壓波動率過大。（3）電網(wǎng)的功率因數(shù)低會造成大量電能損耗，當功率因數(shù)由下降到時，電能損耗將近提高了一倍。 （4）對電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備來說，無功電流的增大，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，如過度增加勵磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過允許溫升。為了保證轉(zhuǎn)子繞組正常工作，發(fā)電機就不允許達到預(yù)定的出力。此外，原

14、動機的效率是按照有功功率衡量的，當發(fā)電機發(fā)出的視在功率一定時，無功功率的增加，會導(dǎo)致原動機效率的相對降低。目前，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，工廠大量使用大功率開關(guān)器件組成的設(shè)備對大型、沖擊型負載供電，這使電能質(zhì)量問題日益嚴重。如果，不進行無功補償，在正常運行時，會反復(fù)地使負載的無功功率在很大的范圍內(nèi)波動，這不僅使電氣設(shè)備得不到充分的利用，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加，甚至還會導(dǎo)致設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓。在我國電力工業(yè)發(fā)展過程中，因多年“重發(fā)電、輕供電”思想的影響，造成電網(wǎng)建設(shè)落后，結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致城市和農(nóng)村配電網(wǎng)無功補償不足，電能質(zhì)量不高等。系統(tǒng)無功對電壓影響大。無功功率的不足或過大，將引起系統(tǒng)電壓

15、的下降或上升，從而造成電能的損失和浪費十分嚴重。從微觀角度看，隨著電網(wǎng)容量的擴增，用戶家用電器感性負載的不斷增加，使得城市配電網(wǎng)公用變低壓側(cè)功率因數(shù)較低。以長沙市為例，統(tǒng)計表明，城網(wǎng)的公用變低壓側(cè)功率因數(shù)均在之間。過低的功率因數(shù)導(dǎo)致公用變低壓側(cè)線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。用電高峰期，用戶末端電壓遠遠低于國家標準，而用電低谷期，末端電壓又遠遠超過國家標準，不僅電能浪費十分嚴重，而且影響用電設(shè)備的使用壽命。因此，在公用變低壓側(cè)進行無功功率補償已成為目前提高供電水平、降低無功損耗急需解決的問題13。 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 無功功率補償?shù)姆诸悷o功補償可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償，歐美一

16、些國家普遍采用串聯(lián)補償來提高輸電線傳輸能力，但我國至今投入運行的串聯(lián)補償裝置甚少，而是采取并聯(lián)補償?shù)姆绞?。串?lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的阻抗參數(shù)，并聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的電壓參數(shù)。并聯(lián)補償按補償對象不同可分為負荷補償和系統(tǒng)補償兩類。負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償，其目的是提高負荷的功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，減少或消除由于沖擊性負荷、不對稱負荷和非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負荷補償可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償9。 靜態(tài)補償即根據(jù)三相負荷的平衡化原理，通過在負荷點串、并入無功導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，把三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)

17、來說是三相對稱的。該方法優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和控制簡單、造價低，缺點是對于工業(yè)電弧爐、電焊機等動態(tài)負荷難以達到理想的補償效果。真正意義上的不對稱負荷動態(tài)補償是從 1977 年 Grandpierre 提出分相控制的靜止無功補償器（Static Var Compensator,SVC）的方法后開始的。分相控制的 SVC 能根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)角來改變 SVC 的各相補償度，從而達到補償負荷負序分量和調(diào)整負荷功率因數(shù)的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關(guān)注1011。系統(tǒng)補償通常指對交流輸配電系統(tǒng)進行補償，目的是維持電網(wǎng)樞紐點處的電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大線路的輸送能力以及優(yōu)化無功潮

18、流，降低線損等。IEEE 定義了兩個專門的術(shù)語來表達綜合的并聯(lián)無功補償技術(shù)，其一是靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator,SVG）,定義為能向電網(wǎng)提供可控的容性和/或感性電流從而發(fā)出或吸收無功功率的靜止電力設(shè)備、裝置或系統(tǒng)；其二是“靜止無功補償系統(tǒng)”（Static Var System,SVS）定義為不同的靜止補償器以及機械投切電容器/電抗器相結(jié)合并可協(xié)調(diào)操作的綜合體。靜止無功補償器 SVC 和靜止同步補償器 STATCOM 都屬于SVG，SVS 的范圍更廣，不但包括了具有良好可控性的 SVG，還包括了機械開關(guān)切換的電容器和電抗器24。 無功功率補償技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向目前，

19、電力系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最多的無功補償設(shè)備是 SVC。截止到 2000 年，全世界已有超過 400 套、總?cè)萘考s為 60Gvar 的 SVC 在輸配電系統(tǒng)中運行；全世界已有超過 600 套、總?cè)萘考s為 40Gvar 的 SVC 在工業(yè)部門使用。我國的輸電系統(tǒng)中有 6套容量為 105170Mvar 的 SVC 安裝在 5 個 500KV 變電站，均為進口；工業(yè)用戶安裝了 100 多套 SVC，約有 1/5 是進口的。從 2001 年起中國電力科學(xué)研究院已為工業(yè)用戶提供了 26 套 1035KV TCR 型 SVC 新平臺，10KV TSC 型 SVC 裝置于 2001 年、2003 年在變電站分

20、別投入運行，填補了 SVC 國內(nèi)工程化應(yīng)用的空白12。而 STATCOM 裝置是基于交流器的無功功率補償裝置，其技術(shù)是所有基于變流器的 FACTS 裝置的基礎(chǔ)，已經(jīng)獲得了廣泛的重視。世界上各大著名的電氣設(shè)備制造商（如西門子公司、ABB 公司、阿爾斯通公司、GE 公司、三菱公司等）都開發(fā)了STATCOM 工業(yè)裝置產(chǎn)品。1999 年我國清華大學(xué)也開發(fā)了20Mvar STATCOM 裝置，且在河南電網(wǎng)成功投入運行。STATCOM 裝置在國際上已有幾十套示范工程投入使用，單套容量已達到 200Mvar , 該技術(shù)正在逐漸成熟。從無功功率補償裝置的應(yīng)用來看，SVC 裝置因為控制簡單、價格低、能滿足大多數(shù)

21、用戶對于無功功率補償?shù)男枰?，因此?yīng)用最為普遍，目前在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大的市場，是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕獞?yīng)用裝置。國內(nèi)外對 SVC 的研究仍在繼續(xù)，研究的重點集中在控制策略上，試圖借助于人工智能提高 SVC 的性能。而采用可關(guān)斷器件的 STATCOM 裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內(nèi)外應(yīng)用并不多。然而 STATCOM 是性能最優(yōu)的無功補償裝置，是 FACTS 的核心，值得加強研究和推廣使用1314。 本文研究的主要內(nèi)容本課題研究用的 TSC 型低壓動態(tài)無功補償裝置，采用 80196KC 單片機系統(tǒng)作為控制器的核心，新穎的快速無功功率檢測方法和獨特的晶閘管技術(shù)，實現(xiàn)了對多組電容器快

22、速自動分級投切，達到了對沖擊負荷動態(tài)無功補償?shù)囊蟆５?2 章 無功功率理論 無功補償?shù)淖饔貌捎脽o功補償可以收到以下效果： （1）減少電力損失，一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負載情況，其電力損耗約 2%-3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。（2）改善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負載總電流及電壓降。于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。（3）延長設(shè)備壽命。 改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機器設(shè)備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低 10C，壽命可延長 1 倍）（4）最終滿足電力系統(tǒng)對無功

23、補償?shù)谋O(jiān)測要求，消除因為功率因數(shù)過低而產(chǎn)生的罰款。 功率因數(shù)的概念功率因數(shù) cos 是電網(wǎng)有功功率 P 與視在功率 S 的比值，記為 （2.1）UIPSP3cos式中 U線電壓，k V I線電流，A其物理意義是線路的視在功率 S 供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。功率因數(shù)的大小代表著電源被利用的程度，它的最大值為 1，這時 P=S，電源利用率最高；同時，由于 （U 為電網(wǎng)相電壓） ，cosUPI 因此在同一電壓下要輸送一定的功率，功率因數(shù)越大，線路中的電流越小，故線路中的損耗也越小。功率因數(shù)最小值為零，這時 P=0，表示負載和電源之間只有往返的無功功率在交換。因此，在電力系統(tǒng)中力求功率因數(shù)接近于

24、1。在電力網(wǎng)的運行中，為了合理利用資源，充分發(fā)揮設(shè)備的能力，我們希望功率因數(shù)越大越好。上式說明，在電壓和電流一定的條件下，功率因數(shù)cos越高，其有功功率P越大，電網(wǎng)發(fā)揮的視在功率S中用來做有功功率的比重越大。因此，改善cos可以充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，提高設(shè)備的利用率。提高功率因數(shù)，不但可以充分發(fā)揮發(fā)、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質(zhì)量，而且可以通過設(shè)備的工作效率和節(jié)約電能。 無功補償?shù)幕驹頍o功功率補償?shù)脑砣鐖D 2.1 所示，在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率

25、中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻 R 與電感 L 串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為 （2.2）22cosLXRR式中，將 R、L 電路并聯(lián)接入 C 之后，電路如圖 2.1a 所示。該電路的電LXL流方程為 （2.3）RLCIII由圖 2.1b 的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓與的相位變小了，即供電回路的功UI率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后于電壓，這種情況稱為欠補償。若電容IUC 的容量過大，使供電電流的相位超前于電壓,這種情況稱為過補償，其相量圖如IU圖 2.1c 所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引

26、起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。 圖 無功功率補償?shù)脑砜驁D 提高功率因素意義（1）減少線路的電壓損失電力網(wǎng)的電壓損失可以表示為： （2.4）UQxPRU可看出，影響 U 的因數(shù)四個：線路的有功功率 P、無功功率 Q、電阻 R 和電抗x。如果采用容抗為 xc的電容來補償，則電壓損失為： UxxQPRUc)( （2.5）故采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失 U 減小，改善了電壓質(zhì)量。（2）減少線路的電能損耗當線路通過電流 I 時，其有功損耗為： （2.6）)(10332kwRIP

27、或 （2.7）)(10cos33222kwURPP可見，線路有功損耗 P 與 cos2 成反比，cos 越高，P 越小。對全網(wǎng)線路有功損耗的降低值，應(yīng)按線路節(jié)點間電阻以及所通過的無功負荷分段求出，再將各段的值相加。投入電容補償后，流過變壓器繞組中的電流減少，故繞組的有功損耗也相應(yīng)減少。單臺變壓器減少的有功功率為： （2.8）32102BeccBRUQQQPQc：補償電容量；Q： 變壓器無功負荷；RB：變壓器等效電阻。銅損減少的有功功率為： （2.9）2212coscos1KTPP：變壓器的負載率；cos1、cos2 ：補償前、后的功率因數(shù)；PK：變壓器的額定銅損。（3）提高電網(wǎng)的傳輸能力視在功

28、率與有功功率成下述關(guān)系： （2.10） cosSP 可見，在傳送一定有功功率 P 的條件下，cos 越高，所需視在功率越小。由于補償后無功負荷的減少，負載降低，相應(yīng)地增加了變壓器的富裕容量，提高了輸出能力。設(shè)補償后的功率因數(shù)為 cos2，補償后新增負荷的功率因數(shù)為 cos0，則有四種情況：當 cos0 cos2時 （2.13）)cos()(cos022222102222SSSSS當 cos0=1 時，令式（9-14）中 0=0，得 （2.14）2222212222coscosSSSSSS1、S2：補償前、后的視在功率；S：補償后增加的視在功率。目前國內(nèi)主要補償方案簡介配電網(wǎng)中常用的無功補償方式

29、包括：就地補償、分散補償、集中補償。近年來企業(yè)中普遍利用并聯(lián)電容器進行供用電線網(wǎng)的無功補償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路的電流，減少了線損，取得了較好的效果。但不同的補償方式，在實際中的補償效果仍有所差異。若能根據(jù)具體情況，選用綜合性的全方位補償方式進行補償，克服單一補償方式的不足，其補償效果會更好。（1）就地無功補償方案該方案又稱“個別補償” ，電容器直接裝于用電設(shè)備附近，與電動機的供電回路相并聯(lián)，常用于低壓網(wǎng)絡(luò)。它使用可控硅或者機械開關(guān)來作為投切開關(guān)，通過就地電壓傳感器控制而自動地投切電容器。一般的包含了一個電抗器用來對諧波進行濾波。它在其連接點通過改變流入或者吸收系統(tǒng)的無功電流來改變

30、系統(tǒng)的電壓。在效果上，它起著一個可變無功負載作用，調(diào)整其值起到保持交流電壓為常數(shù)的作用。通常適用于經(jīng)常投入運行，負荷較穩(wěn)定的中小型低壓電動機。在電機等感性負載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機等同開，同停。停機后電容器通過電機直接放電，電容器不再另需放電裝置。運行時電機所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度的降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗與電流的平方成正比，所以電容就地補償，節(jié)電效果最好，投資也小。特別是能夠有效抑制設(shè)備瞬間出現(xiàn)的電流波動沖擊電網(wǎng)。但是一般工業(yè)生產(chǎn)，現(xiàn)場環(huán)境相對較差，特別是冶金企業(yè)，金屬粉塵含量高，維護、保養(yǎng)若不能定時進行，往往最易損壞。同時，對于頻繁操

31、作的設(shè)備，由于瞬間大電流的頻繁沖擊，也是造成電容器易損壞的一個方面，所以，此種方式中電容器使用壽命短。由于隨機開、停，電容器的有效使用率也最低。(2)分散無功補償方案常見有以下幾種方式：高壓電容器分組安裝于城鄉(xiāng)電網(wǎng) 10KV、6KV 配電線路的桿架上；低壓電容器安裝于公用配電變壓器的低壓側(cè)；低壓電容器安裝于電力用戶各車間的配電母線上。這種補償方式在變壓器低壓側(cè)的輸電線路中，分散進行電容器固定容量的補償，克服了集中固定補償中容量較大時的涌流過大等問題，并能有效的增大配電線網(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果較好。其優(yōu)點是在低負荷時，可以相應(yīng)停運數(shù)組，以防過補償。投資較為經(jīng)濟。其缺點是需要人工頻繁投、切。在投、

32、切不及時或投、切容量不合適時，也易造成過補償或欠補償現(xiàn)象。(3)集中無功補償方案通常指裝于地區(qū)變電站或高壓供電電力用戶降壓變電站母線上的高壓電容器組；也包括集中裝設(shè)于電力用戶總配電高低壓母線上的電容器組。其優(yōu)點是有利于控制電壓水平，且易于實現(xiàn)自動投切，利用率高，維護方便，能減少配電網(wǎng)，用戶變壓器及專供線路的無功負荷和電能損耗。缺點是不能減少電力用戶內(nèi)部各條配電線路的無功負荷和電能損耗。集中補償分為固定容量補償和自動補償，均可最大限度的挖掘變壓器的容量潛力，增大負載能力。根據(jù) P=Scos 當功率因數(shù) cos=1 時，有功功率 P 等于變壓器的視在功率 S，而一般自然功率因數(shù)在 0.60.7 之

33、間，如不進行補償，供電變壓器的效率就很難提高，例如，1000KVA 的變壓器僅能帶 600700Kw 的有效功率。特別是自動補償，功率因數(shù)可控制到 0.950.98，其增容效果更為顯著。電容器的充、放電功能，可以有效的穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。電容器的安裝環(huán)境也可以選擇有利于日常維護、保養(yǎng)的地方，有利于延長電容器的使用壽命。但其缺點是不能解決低壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部無功電流的流動，補償容量大，投入資金高，特別是自動補償，按循環(huán)方式投、切，被切除的電容要有充足的放電時間，才能再次投入，電容配置容量相對較大，相應(yīng)損耗也大。固定補償雖然投資小，但如果補償?shù)娜萘窟^大，在低負荷時，易出現(xiàn)過補現(xiàn)象。在開、停過程中涌流較

34、大，易造成設(shè)備損壞。城網(wǎng)無功補償應(yīng)根據(jù)就地平衡和便于調(diào)整電壓的原則進行配置，可采用分散和集中補償相結(jié)合的方式。目前在我國城市中較普遍采用集中安裝方式，但衡量兩種方式則以分散補償為好，因而應(yīng)提倡在 380/220V 低壓網(wǎng)應(yīng)采用分散補償方式2。2.6 目前主要的無功補償裝置存在的缺點從外部特性和各項指標及用戶反映的情況來看，現(xiàn)有無功自動補償器主要存在以下問題：(1)易產(chǎn)生并聯(lián)電容器的過補償由于目前所有的一部分無功補償裝置采用無功電壓或是無功電流作為無功補償裝核心算法部分，因而當電網(wǎng)的瞬時電壓波動較大時容易產(chǎn)生并聯(lián)電容器的過補償。電容器過補償容易抬高網(wǎng)絡(luò)電壓，增加有功損耗，降低功率因數(shù)。抬高網(wǎng)絡(luò)電

35、壓主要發(fā)生在變壓器。電壓的升高將不僅威脅線路和設(shè)備的安全，也威脅電容器自身的安全。過補償從三個方面增加了有功損耗： 無功倒流的損耗 多余的電容器的有功損耗 電容器因電壓升高而增加有功損耗(2)現(xiàn)有裝置多采用交流接觸器作為投切開關(guān)浪涌電流的產(chǎn)生來自電力電容器的電網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)的線路阻抗，在線路中振蕩而形成的，其峰值可達到該支路接觸器額定電流的 100 倍左右，現(xiàn)在我國目前配電網(wǎng)所采用的無功補償裝置大多采用有觸點開關(guān)，如交流接觸器等，由于這些交流接觸器在投切電容器時電弧可能重燃引起過電壓，且動作次數(shù)有限制；控制環(huán)節(jié)多為分立元件構(gòu)成，此類無功補償裝置存在著可靠性差，裝置使用壽命短，容易產(chǎn)生電網(wǎng)諧波電流等問

36、題。第 3 章 低壓無功補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)3.1 低壓無功補償?shù)脑O(shè)計要求針對目前自動補償裝置所存在的缺點，同時為配合全國電網(wǎng)改造，適應(yīng)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，系統(tǒng)要求達到：(1)高智能化，能動態(tài)跟蹤無功負荷的變化無級投切電抗，且不會過補償；(2)實現(xiàn)電容器組循環(huán)投切，使電容器、電力電子電路使用概率相等，延長使用壽命；并能準確判斷和避免振蕩投切。(3)高可靠性，滿足戶外惡劣環(huán)境的工作需要；(4)檢測精度達到一級，可實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)。(5)能夠數(shù)字顯示線電壓、線電流、相電壓、相電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、電容器投切狀態(tài)、電網(wǎng)頻率以及工作溫度等；3.2 無觸點投切和無級調(diào)節(jié) 基本原理過去的無功

37、補償裝置，多采用單片機控制，通過機械斷路器來實現(xiàn)電容器的分組投切。缺點是機械觸點的使用壽命有限，易損壞，而且電容的投切級數(shù)是有限的?，F(xiàn)在的無功補償裝置主回路采用晶閘管來控制，與機械斷路器相比，晶閘管的操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投切時刻可以精確控制，以減少投切的沖擊電流和操作困難。但現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無觸點控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。為克服上述弱點，專門設(shè)計了主回路，并采用專用的過零觸發(fā)芯片設(shè)計了對應(yīng)的觸發(fā)回路，消除了無觸點開

38、關(guān)投切電容時產(chǎn)生的沖擊電流。同時，采用通斷率控制來控制電容器的投切，這樣既達到了無級調(diào)節(jié)的目的又減少了諧波對電網(wǎng)的污染。裝置的的基本原理如圖)所示。兩個反并聯(lián)晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能造成的沖擊電流的，在很多情況下，這個電感往往不畫出來。因此，當電容器投入時，裝置的電壓電流特性就是該電容的伏安特性，即如圖中 OA 所示，可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器，裝置實際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償器，其電壓電流特性按照電容器組數(shù)的不同可以是圖中 OA、OB、OC。a)單相結(jié)構(gòu)圖 b)電壓電流特性圖 3.1 裝置的基

39、本原理 投入時刻的選取選取投入時刻總的原則是，裝置投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時（若電容器投入的時刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會發(fā)生這樣的情況） ，將產(chǎn)生一沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。一般來講，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓的峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點。因為根據(jù)電容器的特性方程。 （3.1）dtduCiCCIUABCU0IC IL I如果在導(dǎo)通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓

40、的變化率（時間導(dǎo)數(shù)）為零，因此，電流 ic即為零，隨后電源電壓（也即電容電壓）的變化率才會按照正弦規(guī)律上升，電流 ic即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時刻。圖以簡單的電路原理圖和投切時的波形對此作了說明。如圖 3.2 所示，設(shè)電源電壓為 es，在本次導(dǎo)通開始之前，電容器的端電壓 Uc已通過上次導(dǎo)通時段最后導(dǎo)通的晶閘管 V1充電至電源電壓 es的峰值，且極性為正。本次導(dǎo)通開始時刻取 es為和 Uc相等的時刻 t1，給 V2以觸發(fā)脈沖而使之開通，電容電流 ic開始流通。以后每半個周波發(fā)出脈沖輪流給 V1和 V2。直到需要切除這條

41、電容支路，如在t2時刻，停止發(fā)脈沖，ic為零，則 V2關(guān)斷，V1因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通，電容器電壓保持為 V2導(dǎo)通結(jié)束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容器做了準備。 圖 3.2 裝置理想投切時刻 方案的改進采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，可以使導(dǎo)通前電容 es uc uv1ic2V1t2t1V充電電壓維持在電源電壓的峰值。如圖所示，一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會將其充電至峰值電壓，因此不會發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)的方式中電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當要切除此電容支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應(yīng)速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢，但成

42、本上要低，而且考慮到實際需要，此種方式足以滿足補償?shù)目焖傩缘囊?。主電路如下圖所示：圖 3.3 主電路V 為晶閘管，VD 為反并聯(lián)的二極管，C 為補償電容，R 為與 C 并聯(lián)的大阻值的瀉荷電阻。可以保證當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導(dǎo)通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。 圖 3.4 波形圖圖是晶閘管導(dǎo)通前后電源電壓、電容兩端電壓、晶閘管兩端電壓和電路電流的波形圖（t1到 t4為導(dǎo)通時間段） 。 觸發(fā)電路以晶閘管為執(zhí)行元件的低壓電容無功補償裝置能快速跟蹤沖擊性負荷的動態(tài)行為，具有無合閘浪涌和過渡過程、無操作過電壓等顯著優(yōu)點。這類裝置通常要求對系統(tǒng)電壓

43、進行同步跟蹤，以便在特定的時刻由控制器準確的發(fā)出晶閘管的觸發(fā)脈沖。這使得它在電路設(shè)計上必須解決好觸發(fā)電路的功放驅(qū)動、電氣隔離、與主電路的同步等問題，因而常使控制電路過于復(fù)雜，或是易受電源畸變和電網(wǎng)波動的影響。在配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償裝置中運用光控電壓過零觸發(fā)技術(shù)，以電壓過零型光耦雙向晶閘管取代由分立元件組成的攻防電路及脈沖變壓器等驅(qū)動環(huán)節(jié)，簡化了觸發(fā)控制電路的結(jié)構(gòu)，降低了成本；同時，由于無需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問題且控制電路與主電路實現(xiàn)了光電隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性6。MOC3061 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見圖 3.5，它采用雙列直插 6 腳封裝。主要性能參數(shù)：可靠觸發(fā)電流 5-15mA；超

44、阻斷電壓 600V；重復(fù)沖擊電流峰值 1A；關(guān)斷狀態(tài)額定電壓上升率 dV/dt 為 100V/s。選用 MOC3061 光電雙向可控硅驅(qū)動器，它是美國摩托羅拉公司最近推出的光電新器件。該系列器件的特點是大大加強了靜態(tài) dv/dt 能力,保證了電感負載穩(wěn)定的開關(guān)性能。由于輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達 7500V。由于內(nèi)部的采用了過零檢測電路，因而可以很方便的利用其這個觸發(fā)導(dǎo)通的特性來判斷 TCR 電路中的電容 C 是否已經(jīng)被充滿到 Es，以保證當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導(dǎo)通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。圖 3.5 MOC3061 內(nèi)部

45、結(jié)構(gòu)圖器件由輸入、輸出兩部分組成。1、2 腳為輸入端,輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管(LED)，該二極管在 515mA 正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光觸發(fā)輸出部分。3、5 腳為空腳，4、6 腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。一般采用 6 腳接相線，4 腳接零線的方式，這樣可以保證電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。在實際應(yīng)用中，采用圖接法： 圖 3.6 觸發(fā)電路圖圖是相電壓 VA和 MOC3061 的 6 腳和四腳之間的電壓 uV以及觸發(fā)脈沖 VF波形圖（t1到 t4為導(dǎo)通時間段） 。由圖可知，由 MOC3061 根據(jù)電壓 uv的過

46、零點來投切電容，此時電源電壓為峰值，電容的電壓與電源電壓的差值為零，而且此時電路中的電流為零，故晶閘管導(dǎo)通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流很小。圖 3.7 觸發(fā)波形圖 無級調(diào)節(jié)采用通斷率控制來實現(xiàn)無級補償，即改變固定周期內(nèi)可控硅交流開關(guān)的通斷時間比例，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的無功電功率。在實際中，通斷周期設(shè)為秒，因為一個工頻周期為 20ms，故最小的調(diào)節(jié)容量為最小電容器的 1/30，基本可以看作是無級調(diào)節(jié)。在實際實驗中效果良好。一般來說，可以在得出需投切組數(shù) N1后一次投入或切除，但由于存在實際電容值與標稱值不一致和在運行中電容可能損壞等因素，可能產(chǎn)生控制誤差，同時也容易造成對電網(wǎng)的沖擊過大。所以，采用步進

47、控制，即利用循環(huán)結(jié)構(gòu)，每隔 t 秒投切一組電容器，末端電壓又遠遠超過國家標準，不僅電能浪費十分嚴重，而且影響用電設(shè)備的使用壽命。因此，在公用變低壓側(cè)進行無功功率補償已成為目前提高供電水平、降低無功損耗急需解決的問題13。 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 無功功率補償?shù)姆诸悷o功補償可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償，歐美一些國家普遍采用串聯(lián)補償來提高輸電線傳輸能力，但我國至今投入運行的串聯(lián)補償裝置甚少，而是采取并聯(lián)補償?shù)姆绞?。串?lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的阻抗參數(shù)，并聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的電壓參數(shù)。并聯(lián)補償按補償對象不同可分為負荷補償和系統(tǒng)補償兩類。負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行

48、補償，其目的是提高負荷的功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，減少或消除由于沖擊性負荷、不對稱負荷和非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負荷補償可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償9。 靜態(tài)補償即根據(jù)三相負荷的平衡化原理，通過在負荷點串、并入無功導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，把三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的。該方法優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和控制簡單、造價低，缺點是對于工業(yè)電弧爐、電焊機等動態(tài)負荷難以達到理想的補償效果。真正意義上的不對稱負荷動態(tài)補償是從 1977 年 Grandpierre 提出分相控制的靜止無功補償器（Static Var Compensator,SVC）的方法后開始的。分

49、相控制的 SVC 能根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)角來改變 SVC 的各相補償度，從而達到補償負荷負序分量和調(diào)整負荷功率因數(shù)的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關(guān)注1011。系統(tǒng)補償通常指對交流輸配電系統(tǒng)進行補償，目的是維持電網(wǎng)樞紐點處的電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大線路的輸送能力以及優(yōu)化無功潮流，降低線損等。IEEE 定義了兩個專門的術(shù)語來表達綜合的并聯(lián)無功補償技術(shù)，其一是靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator,SVG）,定義為能向電網(wǎng)提供可控的容性和/或感性電流從而發(fā)出或吸收無功功率的靜止電力設(shè)備、裝置或系統(tǒng)；其二是“靜止無功補償系統(tǒng)”（Static Var

50、System,SVS）定義為不同的靜止補償器以及機械投切電容器/電抗器相結(jié)合并可協(xié)調(diào)操作的綜合體。靜止無功補償器 SVC 和靜止同步補償器 STATCOM 都屬于SVG，SVS 的范圍更廣，不但包括了具有良好可控性的 SVG，還包括了機械開關(guān)切換的電容器和電抗器24。 無功功率補償技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向目前，電力系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最多的無功補償設(shè)備是 SVC。截止到 2000 年，全世界已有超過 400 套、總?cè)萘考s為 60Gvar 的 SVC 在輸配電系統(tǒng)中運行；全世界已有超過 600 套、總?cè)萘考s為 40Gvar 的 SVC 在工業(yè)部門使用。我國的輸電系統(tǒng)中有 6套容量為 105170Mv

51、ar 的 SVC 安裝在 5 個 500KV 變電站，均為進口；工業(yè)用戶安裝了 100 多套 SVC，約有 1/5 是進口的。從 2001 年起中國電力科學(xué)研究院已為工業(yè)用戶提供了 26 套 1035KV TCR 型 SVC 新平臺，10KV TSC 型 SVC 裝置于 2001 年、2003 年在變電站分別投入運行，填補了 SVC 國內(nèi)工程化應(yīng)用的空白12。而 STATCOM 裝置是基于交流器的無功功率補償裝置，其技術(shù)是所有基于變流器的 FACTS 裝置的基礎(chǔ)，已經(jīng)獲得了廣泛的重視。世界上各大著名的電氣設(shè)備制造商（如西門子公司、ABB 公司、阿爾斯通公司、GE 公司、三菱公司等）都開發(fā)了ST

52、ATCOM 工業(yè)裝置產(chǎn)品。1999 年我國清華大學(xué)也開發(fā)了20Mvar STATCOM 裝置，且在河南電網(wǎng)成功投入運行。STATCOM 裝置在國際上已有幾十套示范工程投入使用，單套容量已達到 200Mvar , 該技術(shù)正在逐漸成熟。從無功功率補償裝置的應(yīng)用來看，SVC 裝置因為控制簡單、價格低、能滿足大多數(shù)用戶對于無功功率補償?shù)男枰虼藨?yīng)用最為普遍，目前在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大的市場，是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕獞?yīng)用裝置。國內(nèi)外對 SVC 的研究仍在繼續(xù)，研究的重點集中在控制策略上，試圖借助于人工智能提高 SVC 的性能。而采用可關(guān)斷器件的 STATCOM 裝置，由于歷史和價格的原因，目前

53、在國內(nèi)外應(yīng)用并不多。然而 STATCOM 是性能最優(yōu)的無功補償裝置，是 FACTS 的核心，值得加強研究和推廣使用1314。 本文研究的主要內(nèi)容本課題研究用的 TSC 型低壓動態(tài)無功補償裝置，采用 80196KC 單片機系統(tǒng)作為控制器的核心，新穎的快速無功功率檢測方法和獨特的晶閘管技術(shù)，實現(xiàn)了對多組電容器快速自動分級投切，達到了對沖擊負荷動態(tài)無功補償?shù)囊蟆５?2 章 無功功率理論 無功補償?shù)淖饔貌捎脽o功補償可以收到以下效果： （1）減少電力損失，一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負載情況，其電力損耗約 2%-3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。（2）改

54、善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負載總電流及電壓降。于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。（3）延長設(shè)備壽命。 改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機器設(shè)備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低 10C，壽命可延長 1 倍）（4）最終滿足電力系統(tǒng)對無功補償?shù)谋O(jiān)測要求，消除因為功率因數(shù)過低而產(chǎn)生的罰款。 功率因數(shù)的概念功率因數(shù) cos 是電網(wǎng)有功功率 P 與視在功率 S 的比值，記為 （2.1）UIPSP3cos式中 U線電壓，k V I線電流，A其物理意義是線路的視在功率 S 供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。功率因數(shù)的大小代表著電源被利用的

55、程度，它的最大值為 1，這時 P=S，電源利用率最高；同時，由于 （U 為電網(wǎng)相電壓） ，cosUPI 因此在同一電壓下要輸送一定的功率，功率因數(shù)越大，線路中的電流越小，故線路中的損耗也越小。功率因數(shù)最小值為零，這時 P=0，表示負載和電源之間只有往返的無功功率在交換。因此，在電力系統(tǒng)中力求功率因數(shù)接近于 1。在電力網(wǎng)的運行中，為了合理利用資源，充分發(fā)揮設(shè)備的能力，我們希望功率因數(shù)越大越好。上式說明，在電壓和電流一定的條件下，功率因數(shù)cos越高，其有功功率P越大，電網(wǎng)發(fā)揮的視在功率S中用來做有功功率的比重越大。因此，改善cos可以充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，提高設(shè)備的利用率。提高功率因數(shù)，不但可以充分

56、發(fā)揮發(fā)、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質(zhì)量，而且可以通過設(shè)備的工作效率和節(jié)約電能。 無功補償?shù)幕驹頍o功功率補償?shù)脑砣鐖D 2.1 所示，在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻 R 與電感 L 串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為 （2.2）22cosLXRR式中，將 R、L 電路并聯(lián)接入 C 之后，電路如圖 2.1a 所示。該電路的電LXL流方程為 （

57、2.3）RLCIII由圖 2.1b 的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓與的相位變小了，即供電回路的功UI率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后于電壓，這種情況稱為欠補償。若電容IUC 的容量過大，使供電電流的相位超前于電壓,這種情況稱為過補償，其相量圖如IU圖 2.1c 所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。 圖 無功功率補償?shù)脑砜驁D 提高功率因素意義（1）減少線路的電壓損失電力網(wǎng)的電壓損失可以表示為： （2.4）UQxPRU可看出，影響 U 的因

58、數(shù)四個：線路的有功功率 P、無功功率 Q、電阻 R 和電抗x。如果采用容抗為 xc的電容來補償，則電壓損失為： UxxQPRUc)( （2.5）故采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失 U 減小，改善了電壓質(zhì)量。（2）減少線路的電能損耗當線路通過電流 I 時，其有功損耗為： （2.6）)(10332kwRIP或 （2.7）)(10cos33222kwURPP可見，線路有功損耗 P 與 cos2 成反比，cos 越高，P 越小。對全網(wǎng)線路有功損耗的降低值，應(yīng)按線路節(jié)點間電阻以及所通過的無功負荷分段求出，再將各段的值相加。投入電容補償后，流過變壓器繞組中的電流減少，故繞組的有功損耗也相應(yīng)減少。單臺變

59、壓器減少的有功功率為： （2.8）32102BeccBRUQQQPQc：補償電容量；Q： 變壓器無功負荷；RB：變壓器等效電阻。銅損減少的有功功率為： （2.9）2212coscos1KTPP：變壓器的負載率；cos1、cos2 ：補償前、后的功率因數(shù)；PK：變壓器的額定銅損。（3）提高電網(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率成下述關(guān)系： （2.10） cosSP 可見，在傳送一定有功功率 P 的條件下，cos 越高，所需視在功率越小。由于補償后無功負荷的減少，負載降低，相應(yīng)地增加了變壓器的富裕容量，提高了輸出能力。設(shè)補償后的功率因數(shù)為 cos2，補償后新增負荷的功率因數(shù)為 cos0，則有四種情況：當

60、 cos0 cos2時 （2.13）)cos()(cos022222102222SSSSS當 cos0=1 時，令式（9-14）中 0=0，得 （2.14）2222212222coscosSSSSSS1、S2：補償前、后的視在功率；S：補償后增加的視在功率。目前國內(nèi)主要補償方案簡介配電網(wǎng)中常用的無功補償方式包括：就地補償、分散補償、集中補償。近年來企業(yè)中普遍利用并聯(lián)電容器進行供用電線網(wǎng)的無功補償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路的電流，減少了線損，取得了較好的效果。但不同的補償方式，在實際中的補償效果仍有所差異。若能根據(jù)具體情況，選用綜合性的全方位補償方式進行補償，克服單一補償方式的不足，其補