现代电力电子作业电力系统的无功功率补偿

电力系统的无功功率补偿电压是衡量电能质量的一个重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移。而电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则就会偏离额定值。1无功功率的作用在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。1.1维持电网电压水平对于上图简单电力系统，可得出其向量图由向量图得:cosUIPXIXUcosXEUqsinsinXUEqsinUIQXIXUsinXUEUqcos)cos(UEXUqUQXUEUqcos上面第三式中的U即为电压损耗，其大小取决于无功功率Q以及网络参数X(分母U可近似认为是额定电压不变)。当无功负荷Q增加，则电压损耗U增大，电压U下降，如此时增大发电机励磁，使qE增大，则可抵消U的增加，使U保持不变，反之亦然。上面第二式可近似认为1cos，Q与U为近似的二次曲线关系,即电力系统无功电压静态特性。电力系统的无功功率负荷：异步电动机。其无功电压特性也可用二次特性表示。如下图：其中：曲线1：负荷的电压无功特性；曲线1’：无功负荷增大时的电压无功特性；曲线2：电网的电压无功特性；曲线2’：增大qE后的电网电压无功特性；A点为平衡点。当无功负荷增加→曲线1变为曲线'1。如果qE不变,则新的平衡点为'A,电压下降；如增大qE则曲线2变为曲线'2则新的平衡点为C点,电压保持不变。结论:(1)电网电压水平，靠无功功率平衡维持。(2)无功功率平衡：系统无功出力应等于额定电压下的无功损耗与负荷无功功率之和。(3)系统无功平衡原则：就地平衡。(4)无功远距离传输导致：有功损耗、电压损耗。2无功功率的补偿2.1无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：(1)降低发电机有功功率的输出。(2)降低输、变电设备的供电能力。(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。2.2无功补偿原理电力系统中电动机和变压器在能量转换工程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。这种功率称为感性无功功率。在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由容性负载储存起来；当感性负载需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。2.3各种无功补偿设备及补偿方式下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。2.3.1同步调相机同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步调相机也有自身的优点：①调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水平。电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。②调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。电容器只能发出无功，不能吸收无功。③调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下降10%，变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q，即其输出的无功功率将下降19%，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。2.3.2并联电容器作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：①电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。②电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2%～30%，大大高于电容器。③电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维护很复杂。④电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。2.3.3并联电抗器并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。并联电抗器可以直接接到超高压(275kV及以上)线路上，其优点是：可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小，但造价较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相，心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容量并联电抗器只采用心式结构。心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙以保证不饱和，维持线性。2.3.4静止补偿器(SVC-StaticVarCompensator)静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有20ms。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使电压下降15%~20%，谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使用，群众反应强烈。在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内，谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。静止补偿器的最大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设备。3结束语无功补偿是电网补偿的关键。做好无功补偿，不当可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。燃机电厂在无功补偿方面还有改进的空间，在技术发展的推动下，资金的加大投入，优化无功补偿配置，从而逐步实现无功功率的动态平衡。