1、福州大學本科生畢業設計（論文）文獻綜述題 目：電網電容式無功補償器的系統設計姓 名：學 號：系 別：電氣工程系專業：電氣工程及其自動化年 級：2008 級指導教師：文獻綜述引言進入21世紀伴隨著國家經濟的高速發展，國家電力工業的任務也更加艱巨， 伴隨著經濟的發展我國的電力行業也在與時俱進。 由于工業的發展現代電網中的 無功損耗也急劇增大，使電網電能質量惡化，同時也加重了線路和變壓器的負擔 和損耗。如今國家正在倡導節能減排，因此電網中的無功補償問題越來越引起學 者們的關注。無論是在工業負載還是生活負載中，阻感負載都占有很大的比例， 比如變壓器、異步電動機和很多的家用電器都是阻感性負載。 這些負荷

2、的自然功 率因數都比較小，它們所消耗的無功功率在電力系統傳輸的的電量中占有很高的 比例。如果能夠減小線路中的無功功率就能夠提高電能的傳輸效率。公共電網中的電能品質己經得到人們越來越多的認識和重視。 對電網影響嚴 重的工廠配電網及電能質量的治理必將會帶來顯著的效果和影響。 本設計的無功 補償的主要作用是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗、 穩定電壓、提高供 電質量，在長距離輸電中提高系統卒&電穩定性和輸電能力，平衡三相負載的有功和 無功功率等。無功電流補償實現手段正趨于與電力電子技術的結合。結合方式有三種：一是為投切電容器的開關；二是作為無功輸出的調節開關；三是引入電力電子變流技 術，

3、將變流器作為無功電源，以補償無功。目前在我國廣泛使用的以 svc為代表 的傳統的無功補償裝置，國內外對svc的研究集中在控制策略上，模糊控制、人 工神經網絡、和專家系統等智能控制手段也被引入svc控制系統，使用svc系統的性能更加提高。但是由于無功補償新技術與新裝置 ，即svg等的突出優點， 使得無功補償技術未來發展的方向主要以電力電子及其逆變技術為核心開發出 的性能更為優越的裝置。無功補償和諧波抑制始終有著密切的關系，兩者的技術發展與進步是相互協 調的。有源濾波器可以克服無源濾波器在實際運行中補償特性易受電網阻抗變化 和運行狀態影響，與系統發生諧波放大甚至并聯諧振的缺陷。若將無源濾波器和 有

4、源濾波器相結合構成混合濾波器，相互取長補短，兼有兩種濾波器優點，這種方 案是諧波抑制方案研究的熱點。更為積極的方法是單位功率因數變流器，它是不產生諧波且功率因數為1的新型變流器，它將有力地推動無功補償和諧波抑制新 技術的進步，前景十分廣闊。1 .早期無功補償方式1.1 同步發電機同步發電機是通過調整勵磁電流，使其在超前功率因數下運行，輸出有功功 率的同時輸出無功功率。與同步調相機類似，目前不常用。1.2 并聯電容器并聯電容器可以改善線路參數，減少線路感性無功功率。并聯電容器簡單經 濟，靈活方便，但其功率調節性能較差。與同步調相機相比，其費用節省很多， 且維護方便，即可集中補償，也可分散裝設，所

5、以還是我國目前主要的無功補償 方式。具缺點是電容器只能補償固定的無功功率，且容易發生并聯諧振而燒壞電容器。1.3 同步調相機同步調相機可理解為專門用來產生無功功率的同步電機，可根據需要控制同步電機的勵磁，使其工作在過勵磁或欠勵磁的狀態下，從而發出大小不同的容性或感性無功功率，因此同步調相機可對系統無功進行動態補償。但是它屬于旋轉 設備，運行中的損耗和噪聲都比較大，運行維護復雜，成本高，且響應速度慢， 難以滿足快速動態補償的要求。2 .電力系統無功補償新技術隨著電力電子技術的發展，近幾年出現了多種電力系統無功補償新技術。電 力電子技術是現代無功補償技術的基礎，電力電子器件向快速、高電壓、大功率發

6、展，使采用電力電子器件的無功補償從根本上改變了交流輸電網過去基本只依 靠機械型、慢速、間斷及不精確的控制的局面，從而為交流輸電網提供了空前快 速、連續和精確的控制以及優化潮流功率的能力。隨著電力電子器件的發展，無功補償控制器在其性能和功能上也出現不同的發展階段。無功補償控制器己由基 于scr的靜止無功補償器(staticvarcompensator-svc)晶閘管控制串聯電容補 償器(thyristor controlled series compcnsator-tcsc發展到基于 gto 的靜止無功 發生器(static var generator-svg)、靜止同步串聯補償器(static

7、synchoronousseries compcnsator-sssc)、 統一潮流控制器(unificd power flowcontroller-upfc)、可轉換靜止補償器(convcrtible static compensator-csc) 等。2.1 靜止無功補償器(svc)svc是利用晶閘管作為固態開關來控制接入系統的電抗器和電容器的容量, 從而改變輸電系統的導納。按控制對象和控制方式不同，分別稱之為品閘管控制 電抗器(thyristor control reactor-tcr),晶閘管投切電容器 (thyristorswitchcapacitor-tsc)以及這兩者的混合裝置(

8、tcr+tsc), tcr與固定 電容器(fixed capacitor-fc)配合使用的靜止無功補償器(tcr+fc)和tcr與機械 投切電容器(mechanically switch capacitor-msc)配合使用的裝置(tcr+msc)。 2.2靜止無功發生器(svg)靜止無功發生器(svg)也稱為靜止調相機(static condenser-statcon)靜止 同步補償器(static synchronous compensator-statcom)新型靜止無功發生器 (advanced static vat generator-asvg)其分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路

9、兩種類型。電壓型橋式電路，具直流側采用電容作為儲能元件，交流側通過串聯電抗器并入電網；電流型橋式電路，直流側采用電感作為儲能元件，交流側并聯 上電容器后接入電網。迄今投入實用的svg大都采用電壓型橋式電路，因此svg往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態無功補償的裝置。與 svc 相比，svg具有如下幾個優點：調節速度快，運行范圍寬，可以在從感性到容性 的整個范圍中進行連續的無功調節，svg不需大容量的電容、電感等儲能元件， 諧波含量小。2.3 同一潮流控制器(upfc)將svg中與電網并聯的電壓器改為與電網串聯的變壓器，就成為靜止同步用 聯補償器(static synchoronous

10、series compensator-sssc)它能實現對線路潮流的 快速控制。把一臺svg與一臺sssc勺直流側通過直流電容耦合，就構成了統一 潮流控制器upfc, svg與ssscs可配合使用也可解耦獨立運行田。由于 svc, statcom只能控制無功功率以調節系統電壓，如果系統某一局部同時有多種要 求，就需要在該處設置幾種裝置。這增大了安裝、調試的工作量，同時設備的投 資也相當可觀。upfc的基本思想正是用一種統一的電力電子控制裝置，僅通過 控制規律的變化，就能對線路電壓、阻抗、相位等電力系統基本參數同時進行控 制，從而能分別或同時實現并聯補償、串聯補償、移相等幾種不同的功能，與其 它

11、無功補償裝置相比，upfc控制范圍較大，控制方式更為靈活。2.4 可轉換靜止補償器(csc)csc被認為是最新一代的無功補償裝置，目前僅在美國marcy變電站中安裝了此裝置。其中作為svg運行的兩臺100mvar并聯部分己于2000年分別在兩條線 路上安裝完畢，兩臺作為sssc1行的串聯部分目前尚未安裝完畢。由于無功補 償技術及其控制器發展迅猛，一些新的裝置不斷被開發出來，使得無功補償控制 器中的新舊裝置出現并存發展的局面，無功補償控制器中的無功補償裝置svc,svg, upfc及csc目前也處于這樣一種發展情況。作為較早出現的無功補償裝 置svc,由于采用的是傳統的半控型器件 scr成本低，

12、且技術成熟，因此是目前 越來越多使用的無功補償裝置。目前對svc的研究主要集中在控制策略上。 模糊 控制、人工神經網絡和專家系統等智能控制手段被引入 svc控制系統，使svc系統的性能更加提高而svg, upfc及csc目前的應用僅局限于個別工程，尚無法大規模應用， 一方面是由于這些無功補償裝置需大量借助于全控器件，而全控器件目前價格非常昂貴，使得目前該類無功補償裝置的工程造價比 svc高；另一方面，此類無功 補償裝置的技術還不完善，有許多技術問題尚待解決。但大功率電力電子器件技 術本身發展迅速，未來的功率器件開關容量會逐步增大， 價格則相應下降，此類 以gto等新型全控器件為核心的無功補償裝

13、置的造價會逐步降低。國際大電網會 議曾展開有關svc與svg的性價比的討論，不少專家認為，由于svg不需采用大 量的電容器就可以實現無功的快速調節，而電容器的價格多年來比較穩定，不可 能大幅度下降；相反，電力電子器件的價格會不斷下降，故預計 svg會比svc 更有競爭力，由此可見，隨著造價的降低和技術的完善，在不遠的將來svg,upfc及csca成為無功補償技術的發展方向。3 .電力網絡的功率計算電力網除了要負擔用電負荷的有功功率 p,還要承擔負荷的無功功率q。有功功 率p與無功功率q,還有視在功率s之間存在功率三角形關系，如圖3-1所示圖3-1功率三角形公式如下：有功功率 p=s- coa

14、=uico&(3-1)無功功率 p=s- sin巾=uisin巾(3-2)視在功率s=ui(3-3)u為電壓有效值，i為電流有效值cosp被定義為電力網的功率因數，其物理意義是供給線路的有功功率p占線路視在功率s的百分數。在電力網運行中，我們希望的是功率因數越大越好，如果 能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，可以減少無功功率的消耗。(1)自然功率因數自然功率因數是指供用電設備在沒有采取任何補償手段的情況下，設備本身固有的功率因數，稱自然功率因數，也就是說在投入無功補償裝置前設備本身有 功功率與視在功率的比值。沒各自然功率因數的高低取決于負荷性質和負荷狀 態。對于電

15、阻性負荷，其功率因數較高，而對于電感性負荷，其功率因數就較低。 另外在設備負荷很低的時候，其自然功率因數也就低。(2)經濟功率因數經濟功率因數是指客戶的節能效益和電能質量最佳，支付電費最少的功率因數。用戶安裝一定容量的無功補償裝置可提高用戶的功率因數，就減少了無功功率和有功功率損失，用戶功率因數提高到何值最為經濟，應綜合考慮兩個方面： 一是為了保證系統正常的運行電壓水平， 無功電源和無功負荷必須保持平穩并留 有一定的余量；二是按運行費用最小的原則決定用戶的經濟功率因數。3.1 無功補償的作用無功補償的主要作用是為了提高功率因數，在用戶端采用無功補償裝置，達 到我國電力設備的有關規定，即：在電力

16、用戶變壓器的高壓側功率因數不低于 0. 9,低壓側功率因數不低于o. 85,目前國內低壓無功補償裝置一般都是在用 戶端并聯電容器。并聯電容器可提供超前的無功功率以補償感性負荷， 多裝于降 壓變電所，還可就地補償。補償前后的功率三角形如圖4.1所示圖4-1補償后功率三角形目前大多數補償裝置采用并聯電力電容器方法， 但電容一旦投入后，它不隨 感性負載的變化而變化，因為當負載發生變化時，電網上可能出現超前的或滯后 的無功，即所謂過補償和欠補償問題。(1)欠補償(無功功率滯后)由于補償的電容量c不足，使k較小，系統中的容性電流不足以補償感性電 路中電流的無功分量，使負載仍得向電網索取一定數量的無功功率

17、， 未達到補償 要求。(3)過補償(無功功率超前)由于投入的電容器容量c較大，使ic較大，系統中容性電流大于感性負載中 的無功分量，這時從無功電表上看要倒轉，整個負載成容性，這時要向電網倒送 無功功率。另外，從經濟的角度看，電容器的容量越大，成本也越大。(4)全補償要做到全補償一般比較困難，另外如實現全補償的話，將會出現諧振現象， 就會出現諧波放大，損壞電器設備?？傊?，在感性負載端并入適當大小的電容器 進行補償，必須從經濟、節能的角度綜合考慮，確定最優補償容量和補償容量的 最優分布。4 .無功補償控制器電容投切原理無功補償的原理就是準確檢測三相電路無功功率 q,然后根據q值的大小進 行電容器最

18、優投切，從而減小q值，以達到最優狀態。在被諧波污染的電網中投 入電容器進行無功補償時，應注意避免產生諧波的諧振。消除諧波的方法，一般 是在電容器上用聯電抗，來防止電流的突變。本系統采用實時跟蹤監測電網中的 諧波量的方法，在電網中的諧波量超出設定值時，停止投入電容器，并報警，以 防止重大事故的發生。5 .電壓和電流、功率因數的采集與濾波電壓互感器的輸出額定值要經過電壓變送器，再經過線路調理與濾波才能送 人單片機進行ad采樣。同樣，電流互感器的信號也要經過電流變送器及信號調 理與濾波，才能送至單片機采樣。該部分的框圖如圖 6-1所示。電流互感 器電流變送 器，送單片機端口 t.圖6-1電壓電流信號

19、的采樣框圖6 .全文總結本文從提高無功補償控制器的整體性能和經濟適用性出發，研究了國內外無功補償裝置的現狀，比較了當前應用廣泛的幾種無功補償裝置的原理、性能，提出了以單片型開發無功補償控制器的整體設計方法。為了滿足電力系統對實時性 更高的要求，提出了采用dsp1行控制的動態無功補償裝置，并進行了系統軟硬 件設計。使用了目前流行的嵌入式多任務實時操作系統開發，并對系統軟硬件設計和無功補償控制策略進行論述。參考文獻:1王兆安，楊君.諧波抑制和無功功率補償m.北京：機械工業出版社，1998.2林在榮.低壓并聯無功補彳11技術的現狀與發展j.電工技術雜志，2003: 1-4.3丁屹峰，浩忠.電能質量檢

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