無功補償原理及無功補償容量的確定計算思路分析目錄TOC\o"1-3"\h\u21722無功補償原理及無功補償容量的確定計算思路分析 1104011.1無功補償原理分析 1224231.2無功補償的基本原則 356321.3無功補償裝置 3231291.4無功補償容量的確定 4108191.5案例仿真 5206251.5.1簡單電力網的設計 552971.5.2無功補償的計算及檢驗 5306271.5.3無功補償的仿真實驗 6對于電力系統，合理調壓在保證電力系統安全、高效運行方面具有及其重要的意義。本章將著重論述無功補償的原理，無功補償的基本原則，以及目前常見的幾種無功補償裝置，簡述其補償機制與優缺點，同時進行無功補償容量的確定。最后，提出一個簡單電力網設計模型，進行計算、檢驗，并采用Matlab進行仿真模擬，以此論證無功補償的可行性。1.1無功補償原理分析電網中的無功補償指的是通過串并聯無功補償設備，向電網中注入無功功率。一般來說，在超高壓電網的線路、變壓器的等值電路中，電抗的數值比電阻大得多。所以無功功率對電壓損耗的影響很大，而有功功率對電壓損耗的影響則要小得多。因此，在電力系統中，無功功率是造成電壓損耗的主要因素[6]。本節針對線路末端并聯電容器方法進行一個原理論述。首先，我們提出一個簡單的電力網絡示意圖，如圖2-1所示。所有的參數已歸算至同一電壓等級。U2ⅡⅠU1Z=R+jXU2ⅡⅠU1Z=R+jXS2=P2+jQ2圖2-1簡單電力網絡示意圖其中：取Z=R+jX為母線Ⅰ到母線Ⅱ之間總阻抗；取S2=P2+jQ2為末端負載。在線路較短時，線路兩端相角差一般不大，可以忽略電壓降落的橫分量。故可以近似用電壓降落的縱分量來表示線路始末端的電壓損耗：（2-1）有R<<X，故P2R<<Q2Z，式2-1可以近似為（2-2）當線路一定時，X為常數，Q2減小，U2一定，此時減小。為使Q2減小，在線路末端并聯電容器組，進行無功補償，如圖2-2示。此時電容器發出感性無功QC，此時線路上經過補償后的流過的無功功率為：（2-3）ⅠⅡQCS2=P2ⅠⅡQCS2=P2+jQ2U1U2Z=R+jX圖2-2采用并聯電容器組補償的簡單電力網絡示意圖此時,有（2-4）有,故。說明，在采取并聯電容器組以后，電壓降落幅值減小，從而末端電壓得到了提高。1.2無功補償的基本原則電網無功補償的基本原則是：按電壓分層，按電網分層，就地平衡，避免無功功率的遠距離輸送，以免占用線路輸送容量和增加有功損耗，即“分級補償，就地平衡”。同時，電網無功補償還要求充分考慮：總體平衡和局部平衡之間的緊密聯合；集中補償與分散補償的緊密聯合；高壓補償與低壓補償的緊密聯合；調壓與降壓的緊密結合[7]。只要無功補償設施嚴格按照基本原則進行投運、工作，就可以發揮出最大效用。1.3無功補償裝置目前，并聯電容器組是進行各級電網的無功補償應用最廣泛的方法之一。電容器組可將電壓維持在相對穩定的較高平均值，增加電力系統負荷電壓的穩定性。同時可以提供容性電流，抵消線路中的感性電流，減少傳輸元件的無功功率響應。其本身有功功率損耗小，安裝簡單、使用方便，維護工作量小，一次投資少。但由于結構上的特點，過高環境溫度、運行電壓都會影響其性能與壽命，且不能進行快速連續調壓[8]。同步調相機。同步調相機可以在最大負荷時過激運行，輸出的無功功率為感性無功。在最小負荷狀態下可以欠激運行，發出容性無功功率，進而達到調整電壓的作用。由于其運行損耗大，運行維護困難，并且電壓波動主要是電壓降落的問題，相比并聯電容器組在降低電壓降落幅值和便捷性上沒有優勢可言。同步調相機可以裝設自動調節勵磁裝置，能自動地在電網電壓降低時增加輸出的無功功率，以維持系統電壓。特別是有強行勵磁裝置時，在系統故障時也能提高電網的電壓[9]。靜止補償器全程為靜止無功功率補償器（SVC）。目前常用的有晶閘管控制電抗器型（TCR型）、晶閘管開關電容器型（TSC型）和飽和電抗器型（SR型）三種[10]。SVC屬于動態無功補償電源，在可控制的電抗器以及靜電電容器并聯后，電控器可以吸收電容器所發出的無功功率，并根據不同的負荷情況來完成對電壓的調整，通過調整電壓來保證母線電壓的穩定性。通過靜止補償器能夠保證電壓在調整過程中的穩定性，除此之外，靜止補償器的運行維護以及功率損耗也都具有一定的優勢，因此，靜止補償器調整電壓擁有很好的適用性[11]。無功補償裝置各有其特點，實際電網應用中，選用設備要從綜合效用、經濟、環境因素等進行綜合考慮，才會實現資源配備最優化。1.4無功補償容量的確定電容器僅發出感性無功，故對輸電線路而言，只能提高線路末端電壓。當電力系統運行在處于最小負荷狀況下，電壓降落幅值最小，電容器組應不動作或全部退出運行；當處于最大負荷情況下，電壓降落幅值最大，電容器組應全部投入工作，用以提高負荷節點電壓。故確定無功補償的容量，應當由最大負荷情況推導得出。假設當前處于最大負荷情況，根據圖2-2進行分析如下：簡單電力系統中電壓降落幅值由式2-2：（2-5）補償前U2處于最低值U2min，母線Ⅰ處電壓U1為：（2-6）補償后U2升高至U2C，母線Ⅰ處電壓U1為：（2-7）補償前后母線Ⅰ處電壓U1不變，故聯立式2-6與式2-7得：（2-8）整理得：（2-9）調整電壓前后，相對于母線Ⅱ處電壓，電壓降落提高幅值數值很小，故（2-10）代入式2-8得：（2-11）確定出補償容量QC。1.5案例仿真1.5.1簡單電力網的設計設計一個具有雙母線輸電的簡單電力網模型，如圖所示。圖中參數如下：母線Ⅰ處保持電壓U1為38.5kV，線路參數r1=0.01273，L1=0.9337×10-3,輸電線路長200km，負載S2=5×106+j3×106VA。要求母線Ⅱ處保持電壓U2為35kV，求對該電力網進行無功補償。U1=38.5kVU2=35kVU1=38.5kVU2=35kVS2=P2+jQ2ⅡⅠZ=R+jX圖2-3簡單電力網模型1.5.2無功補償的計算及檢驗對所設計的簡單電力網進行計算：有x1>>r1，線路電壓降落近似計算為：此時母線U2值為：求得補償容量QC：反推校驗,補償后線路中流經的無功功率為：此時線路的電壓降落幅值為：求得此時的母線Ⅱ電壓U2：此時求得的U2與要求保持的電壓相等，校驗正確。1.5.3無功補償的仿真實驗對設計的簡單電力網進行仿真實驗，采用MATLAB進行。仿真設計中的各數據與圖2-3所示的簡單電力網示數保持一致。設計思路如下：采用一個三相電源模擬一個簡單無窮大電網，給予B1母線初始電壓38.5kV。其中線路參數r1=0.01273，L1=0.9337×10-3,輸電線路長200km，負載S2=5×106+j3×106VA。總仿真時間為0.4s，斷路器在0.1s時閉合。斷路器閉合后，無功補償電容器投入使用，其無功補償QC=1.08837×106var。其中B1、B2均為母線，采用三相V-I測量，使用label連接到示波器進行顯示。圖2-4簡單電力網Matlab仿真圖仿真結果及分析：B1上的電壓讀數為5.445×103V,即電源電壓有效值為：圖2-5母線B1處電壓波形圖母線B2處的電壓波形，如圖2-6所示.在0.1s斷路器閉合后，當電容器組開始提供無功補償，經過一小段時間的電壓波動，進入穩態以后，電壓明顯上升。圖2-6母線B2處波形圖補償前具體波形，如圖2-7所示：圖2-7補償前具體波形示意圖得到兩點數據的峰值，此時平均值為：有效值為：補償后具體波形，如圖2-8所示：圖2-8補償后具體波形示意圖得到兩點數據的峰值，此時平均值為：有效值為：此時補償量QC為：經過數據計算以及仿真實驗的數據，兩者均存在一定的誤差。但