电网的无功补偿毕业设计.docx

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电网的无功补偿毕业设计

摘要

电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经济指标。

长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。

随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。

在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。

本文从无功补偿的现实意义出发，分析了无功补偿的必要性和经济效益。

简单介绍了目前无功补偿研究的现状，探讨无功补偿的原理并对主要的几种无功补偿方式进行了简要的分析，给出本文设计用于并联电容器组补偿方式的智能低压无功补偿装置的研究任务。

装置采用ATT7022A检测电网运行参数，减少了CPU运算量，提高电网参数辨识的精度，并可以简化系统软件设计。

系统以Atlmega64处理器为控制核心，采用功率因数控制和电压限制相结合的方式工作，并给出采用永磁真空开关在特定电压相角投切电容器的方法，有效解决了电容器投切过程中在线路上产生涌流的缺点，并设有多种保护措施，保护系统可靠、稳定运行。

装置还设计了友好的人机接口和通讯接口，使用方便。

关键词：

无功补偿、并连电容器、ATT7022A、Atlnega64

ABSTRACT

Voltageisoneofimportantqualityindexofelectricpowersystem.Powerlossisanimportantsynthesistechnicalandeconomicindexofpowercompanies.Inthepastseveralyears,theproblemofpowerlossisveryserious.However,reactivecompensationisaneffectivemethodtosavepowerloss.Duetoincreasingloadsofelectricpowersystem,demandofreactivepowerwasalsoincreasing.Itbecamenecessarymeansthatreactivepowercompensationdeviceswereinstalledinproperpositionofelectricnetwork.

ThisthesisconsidersthesignificanceofreactivePowercompensationandanalysestheindispensabilityandeconomicbenefitsofreactivePowercompensation.Thedevelopmentstatusofreactivepowercompensationisbrieflyintroduced.Principlesofreactivepowercompensationareexplained.Severalprimaryreactivepowercompensationsolutionsarediscussed.Thisthesisproposedanintelligentlowvoltagereactivecompensationcontrolschemeandimplementeddeviceforshuntcapacitorcompensation.AnATT7022AisadoptedtodetectthepowergridoperationinformationtoreducethecalculationvolumeofCPUandenhancetheprecisionofpowergridparameteridentification.Thisalsosimplifiesdesignworkofthesoftware.ATMEGA64isutilizedasthemainprocessunitandmethodcombiningpowerfactorcontrolandvoltagelimitationisusedasthesystemworkingmode.Specificvoltagephaseisdeterminedtoswitchingshuntcapacitorviapermanentmagneticvacuumsynchronousswitch.Thusthesurgeproducedduringthetraditionalcapacitorswitchingmethodisgreatlydiminished.Itprovidesdiverseprotectmeasurestoensurethestabilityandreliability.Itbearsfriendlyhumanmachineinterfaceandcommunicationinterfaceandisconvenientforuse.

KeyWords:

ReactivePowerCompensation,ShuntCapacitors,ATT7022A,Atmega64

1绪论

1.1课题背景

近30年来，由于超高压远距离输电系统的发展，电网中无功功率的消耗也日益增大。

低压电网中，随着居民生活水平的提高和家用电器的普及，以及小工业用户的增多，电网的功率因数大都比较低，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因素很低，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担。

因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿装置的投资己被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。

现在，美国电力主网设备的功率因素已接近于1，原苏联法律规定功率因素应大于0.92，日本等国还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的技术经济政策。

从实际情况看，世界上工业比较发达的国家，其电网功率因数都比较高。

因此，大力提高电网功率因素，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜力，是当前电力网发展的趋势。

1.2课题研究的目的和意义

有功功率与视在功率的比值称为功率因数，无功功率的存在使功率因数降低，造成如下影响：

（1）当有功功率不变时，功率因数低，使发电机和变压器的容量增大，不能充分发挥原有供电设备的效率。

（2）在线路输送有功功率相同的情况下，功率因数低，使线路中的电流增加，电压损失增加，给感应电动机的启动、运行造成困难，导致供电质量下降。

若增大导线截面积，相应的增加了有色金属的消耗量。

（3）当电网电压及有功功率不变时，功率因数低，使输电线路中的无功电流增大，功率损耗增加，引起发电机端电压的下降。

具体说来提高功率因数有如下作用：

·提高电力网的传输能力

·减少电压损失，提高电压质量

·减少线路损失

·降低变压器的损耗

·增加变压器的输出功率

目前，低压电网中的负荷大部分是感性负载，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。

并联电容器补偿简单经济，灵活方便。

但当今电力系统中存在着大量如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率频繁变化的设备，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。

而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。

因此，能根据负荷无功功率的变化对分组的补偿电容器组进行自动投切

以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国内外得到广泛应用。

解决电网中有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就地补偿负载的感性无功功率。

因此，寻求一种能综合现有多种补偿装置的优点，且成本较低的无功功率补偿装置，使其能实时检测供电系统需要补偿的无功功率，对系统进行跟踪补偿，是低压电网改造和建设中迫切需要解决的问题。

本课题就是在此基础上提出的。

1.3无功补偿的历史与现状

1.3.1无功补偿的分类

无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿。

串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。

而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。

并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。

系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。

负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。

负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿。

静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。

该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。

真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977年Grandpierre提出分相控制的静止无功补偿器SVC（StaticVarCompensatory）的方法后开始的。

分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。

因此，该方法一提出就受到了普遍关注。

1.3.2国内外研究现状及趋势

电力系统是一个典型的非线性大系统，随着社会的进步，经济的发展，社会对电力的需求不断增加，使现代电力系统发展迅速，系统日趋复杂。

大机组、重负荷、超高压远距离输电，大型互联网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求，使柔性输电系统（FACTS）技术成为目前电力系统的一个重要的研究领域。

传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢，故障维护困难等缺点。

静止无功补偿器（SVC）近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。

其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（TCR）。

晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用。

除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的进步。

采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置已经成为大家的共识。

目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增加，使得其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。

因此，在公用变压器低压侧进行无功功率补偿已成为目前研究的另一个热门。

国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的主要指标之一。

在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达86.4%；在美国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制。

国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。

据统计，当前，国内典型城乡配电网无功损耗情况如下：

按电压等级划分，0.4k级损耗占50%，10kV级占30%，35kV以上占20%。

在农村，长距离供电较为普遍，10kV线路损耗较大；在城网中，配网损耗主要在0.4kV侧，因此，做好10kV等级电压以下的无功补偿具有重要意义。

近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大的改进，无功补偿装置的发展已进入一个新的阶段。

然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低，损耗增大等问题。

1.4本文研究的主要内容

本文首先分析无功补偿的重要意义，以无功补偿技术的原理为基础，研制真空开关投切电容器组的无涌流低压无功补偿装置，分析和探讨如何设计多功能、智能化的能够更加合理的进行电容器组投切的无功补偿装置。

主要包括以下几个方面:

·分析无功功率补偿的基本原理和方法

·分析无功功率补偿的容量确定

·根据要求设计用于三相四线制低压电网的无功补偿装置，完成控制器的硬件设计。

控制器的设计需要着重考虑以下几个方面:

·电网运行参数的准确获得，为后续计算提供可靠数据

·根据补偿要求确定无功补偿容量

·确定电容器组的投切。

采用合理的控制策略避免投切电容时造成涌流，

避免产生电容器组的投切振荡等问题。

·系统运行状态的监控和重要数据的保存。

2无功补偿的基本理论

无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。

在直流系统或者纯阻性负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补偿问题。

2.1交流电路的无功功率

在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。

图2.1无源一端口网络

对于如图2.1所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的一端口，设电路中正弦交流电压为

（2.1）

一端口等效负载为Z，则流过负载电路中的电流为

（2.2）＋

当负载Z不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值，即，此时电流表示为

（2.3）

其中

为负载的模。

如果把电流i分解为和电压同相位的分量和ip与电压垂直的分量iq,则ip和iq分别为:

（2.4）

此时电路的有功功率P就是其平均功率，即：

（2.5）

可以看出，有功功率P不再是电压U和电流I的有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。

电路的无功功率定义为:

（2.6）

可以看出，Q就是式2.5中被积函数的第2项无功功率分量uiq的变化幅度。

uiq的平均值为零，表示了其有能量的流动但是却并不消耗功率。

Q则表示了这种能量交换的幅度。

从式2.5中可以看出，真正消耗功率的是被积函数的第1项有功分量uip产生的。

因此，可以把式2.4描述的ip和iq分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。

无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会象有功功率那样被消耗掉。

电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即:

（2.7）

视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。

从式2.5、2.6和式2.7可以看出，有功功率、无功功率、视在功率在数值上满足如下关系:

（2.8）

在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即此时的φ>0，无功功率Q>0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无功功率;当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时的φ<0，无功功率Q<0，我们说网络“吸收”容性无功功率，也可以说是“发出”感性无功功率。

无功功率的“发出”和“吸收”不同于有功功率的发出和吸收，这只是一种习惯说法而已。

2.2并联电容器补偿无功功率的原理

2.2.1概述

静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。

无功功率补偿装置接入系统的方式有两种：

并联和串联。

以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿．以串联方式接人系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿。

并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作不方便、对系统可靠件影响大顺使使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。

用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有并联电容器、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器及其组合。

并联电容器用于补偿感性大功功率，并联电抗器用于补偿容性无功功率。

串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。

单独使用时，串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电压．串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流动；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。

由于串联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联屯抗器，因此，静态无功功率补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。

并联电容器首先是在20世纪10年代中期用于功率因数的校正。

但是，由于早期的电容器使用油作为绝缘介质，体积和重量太大而且价格很贵，电容器的应用受到限制。

20世纪30年代，由于在电容器生产中引入了较便宜的绝缘材料和其他改进，使得其价格和体积有大幅度下降。

因此，自20世纪30年代后期，电容器的使用有显著的增加。

发展到今天，并联电容器成为一种提供大功功率的非常经济的电力装置，并联电容器以价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便而受到欢迎，已被用在电力系统中的各点上，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大作用。

并联电容器的一个缺点是其无功功率输出与电压平方成正比，结果是在低压时无功功率输出减小，而这时的系统却需要更多的无功功率；并联电容器的另一个缺点是电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统大功功率需求的改变而改变，是一种静态无功功率补偿装置，适用于大功功率需求稳定的场所，但即使这样，也容易造成欠补偿或过补偿。

2.2.2并联电容器补偿无功功率的原理

在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压90°，纯电容负载中电流超前电压90°。

也就是说．纯电容中的电流与纯电感中的电流相位相差180°，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量内容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再出容性负荷向外释放的能量来提供。

能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可从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。

为了便于容易理解电容器补偿无功功率的原理，首先看一个简单的并联电路。

假设电气负荷正电阻R和电感L组成的并联电路，对R、L电路进行人功功率补偿，就需要对电路并接人电容C，因而电容器补偿的等值电路与向量图如图2.2所示:

在图2.2（a）所示的电路中，电流方程为

（2.9）

电容器提供的无功功率为

（2.10）

由公式（2.9）可知，当并联电容器不投入时，

，即不对负荷进行无功功率补偿，那么电源即要向负荷提供有功电流

，还要提供无功电流

，电源向负荷提供的总电流

;当并联电容器投入时

，即对负荷进行无功功率补偿，那么电源在向负荷提供有功电流

的同时，提供无功电流为

，电源向负荷提供的总电流

，特别是当

时，

，电源不需要向负荷提供无功电流，功率因数等于1。

一般情况下

，这是可能的情况有两种：

当并联电容器的电容C较小，***时，负荷中的感性无功电流没有被完全补偿，这时电源的

滞后

，如图2.2（c）所示，这种补偿称为欠补偿；当并联电容器的电容C较大，会出现***的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容性电流，电源的

超前

，如图2.2（d）所示，这种补偿称为过补偿。

通常不希望出现过补偿情况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。

（a）R、L、C并联的等值电路（b）R、L串联后与C并联的等值电路

（c）欠补偿的向量图（d）过补偿的向量图

图2.2并联电容器补偿的等值电路图向量图

2.3并联电容器的补偿方式和接线方式

并联电容器组是电网中使用较广的一种专用于无功功率补偿的设备，它以其低廉的价格、方便的使用而受到广泛使用。

其补偿原理前文己有叙述，这里不再介绍。

按照电容器组安装位置的不同，并联电容器组无功功率补偿方式一般可以分为集中补偿方式、分散补偿方式和单机就地补偿方式三种。

集中补偿方式：

将电容器组直接安装在变电所的6～10KV母线上，用

来提高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡。

可以减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。

分组补偿方式：

将电容器组分别装设在功率因数较低的终端配电所高压或低压母线上，也称为分散补偿。

这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。

但是分组补偿效果比较明显，采用的较为普遍。

就地补偿方式：

将电容器或电容器组装设在异步电动机或者电感性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式。

这种方式既能提高为用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中小型设备十分适用。

采用并联电容器组方式的低压无功补偿技术根据电容器组投切开关的不同又可以有不同的方案。

一种是采用空气接触器投切电容器组的方案，该方案具有经济实惠、价格低廉的优点，但是一般来说，其单柜的补偿容量比较小，并且存在合闸涌流大、合闸弹跳严重的缺点，会影响电容器使用寿命。

另一种是采用可控硅投切电容器组的补偿方案，该方案具有在电压零点无涌流接通电流的优点，但是存在可控硅发热严重功耗较大、抗过电压抗电流冲击能力差、导通时会产生谐波等缺点。

采用设计采用了并联电容组三角形接线方式，电容器的投切采用永磁真空同步开关，实现电容器组的投入过程无涌流。

系统的原理如图2一6所示。

2.4无功补偿容量的确定

无功补偿装置的用途就是为电网补偿无功功率，但是对电网的无功补偿容量不是随意的，需要根据电网的运行情况来确定，因此确定无功补偿容量成为必不可少的步骤。

确定无功补偿容量最直接的方法就是从提高功率因数的需要来确定补偿容量。

如果补偿线路有功功率为P1，补偿前的功率因数为cosφ1，补偿后的功率因数为cosφ2，则补偿容量可以用下述公式计算:

（2.13）

上式中QC表示线路中需要的补偿容量。

对于补偿后的功率因数cosφ2的设定要适当，通常设为0.9~1.0之间的某个合适的值，该值不宜设的过高。

例如对于一个有功功率为100kw功率因数为0.75的待补偿线路，如果将功率因数补偿到0.9，按照式2.13计算所得的补偿容量为39.5kvar，如果将功率因数补偿到1.0，计算所得的补偿容量则为88.2kvar，可以看出，在超过0.9的高功率因数下进行无功补偿其效益将显著下降。

所以可能的情况下可以将补偿后功率因数适当设置的低些。

对于并联电容器组补偿方式来说，电力电容器组额定容量与其接线方式有关。

对于三相电路，电容器容量为:

（2.14）

上式中：

QC表示电容器容量，单位kvar

f为交流电网的频率，f=50Hz

U为相电压，单位kV

C为单相电容器值，单位µF

对于三相三角形接线的系统，线电压等于相电压，而对于三相星形接线的系统，线电压等于相电压的

倍，对于同样的电容器组三角形接线的无功出力是星形接线的3倍，这也是将并联电容器组以三角形连接并联于电网的原因。

2.5无功补偿的经济效益

无功补偿的经济效益主要体现在减少无功功率在电网中的流动，提高电力系统有功输送容量和供电能力，降低输电线路因输送无功功率造成的输送线路损耗，节省投资，在有限的输电网络中最大可能地为用户输送更多