合理优化电网无功补偿提高电能质量.docx

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合理优化电网无功补偿提高电能质量

论文

合理优化电网无功补偿提高电能质量

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学科（专业）：

电力系统及其自动化

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2015年9月

网络教育学院

毕业设计（论文）任务书

专业班级电力系统及其自动化层次专升本姓名朱贤学号***************

一、毕业设计（论文）题目合理优化电网无功补偿提高电能质量

二、毕业设计（论文）工作自2015年6月26日起至2015年9月28日止

三、毕业设计（论文）基本要求：

指导教师：

网络教育学院

毕业设计（论文）考核评议书

指导教师评语：

建议成绩：

指导教师签名：

年月日

答辩小组意见：

负责人签名年月日

答辩小组成员

毕业设计（论文）答辩委员会意见：

负责人签名：

年月日

论文题目：

合理优化电网无功补偿提高电能质量

学科（专业）：

电力系统及其自动化

申请人：

朱贤

指导教师：

徐正红

摘　要

随着我国经济的不断发展，人们的生活水平日益提高，对生活质量的要求越来越高，对于电力的需求无论从质量还是数量上都在增长，尤其是对电能质量提出了更高的要求。

用户对电能质量主要从电压质量、供电可靠性、谐波等指标进行考察。

电能质量不但关系到电网的安全，同时关系到电网的经济性，对于用户安全用电以及用电设备的寿命有着非常重要的作用。

过去我们进行的无功补偿工作受资金、人员、技术等制约，只是小规模的进行，不能全面考虑，系统地规划。

为了提高输电设备的效率，降低无功功率的损失，需要对配电系统进行无功补偿，以保证电网安全经济稳定运行。

在电力系统中，用电设备多呈感性，且功率因数较低，从而导致电网中产生大量的无功功率，降低了我区农村供电所电网质量。

根据我甘州区农网的特点就偏远地区供电所的无功补偿存在的问题，从无功补偿方式的选择，补偿容量的确定，来优化无功补偿方案，提高供电质量，降低线路损耗。

本文深入浅出地介绍了实际生产当中无功功率的产生及其危害，无功补偿的概念、原理以及无功补偿的意义、原则、方式等，并提出了农村电网的补偿方案及补偿容量的确定方法，为农村电网无功配置提供了一定的参考依据。

关键词：

农村电网；无功补偿；原则；供电所；无功补偿；

论文类型：

研究报告

一绪论

研究背景、概况及意义

背景及概况

我国电力工业向来重视有功负荷、有功电量，轻视无功负荷和无功电量。

一方面是由于长期缺电，满足有功需要都来不及，顾不上无功问题；二是由于认识上的偏差，认为有功电量才是用能源换来的，而无功不是能源；三是认为无功数量不大，或者说只有工业企业有无功，而居民生活用电没有无功问题。

现在，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，各种电器设备走入了百姓的家庭，再者，地方政府大力进行招商引资，优惠的投资政策吸引了大量的企业投资建厂，加上地方乡镇工副业和民营企业的迅速崛起，造成广大农村电网无功缺口日益加大，虽然，这个问题已经开始受到重视。

随着国民经济的发展，节能降耗，减少生产成本是企业追逐的目标。

但电力系统中存在着大量的无功负荷，这些无功负荷来自电力线路、电力变压器以及用户的用电设备。

系统运行中大量的无功功率将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重影响着电力企业的经济效益。

解决这些问题的一个有效途径就是进行无功补偿，提高功率因数。

功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统中的电压损失，减少电压波动,改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力，提高企业的经济效益。

所以无功功率补偿在电力配电系统中处在一个不可或缺的重要位置。

无功补偿实质上是一个多目标、多约束的问题,可分为数学建模和算法优化两部分。

选题意义

1）理论意义：

电力系统中存在着大量的无功负荷，这些无功负荷来自电力线路、电力变压器以及用户的用电设备。

系统运行中大量的无功功率将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重影响着电力企业的经济效益。

解决这些问题的一个有效途径就是进行无功补偿，提高功率因数。

2）现实意义：

根据农网负荷的多样性与复杂性，开发无功优化软件，通过调节各种控制设置，以满足多指标达到最优。

文章基于对无功优化软件的应用，提出线路的最佳补偿方案和典型补偿模式。

研究主要内容

3）通过文献阅读与资料查找，明确“电网无功补偿”概念，知道电网无功补偿的相关理论，及前人关于“电网稳定性”做了哪些研究；

4）结合张掖市本地区现有电网的无功补偿资料，分析提出电网无功补偿的优化及提高电能质量。

研究步骤、方法及措施

第一步：

电能质量问题分析

第二步：

发展电能质量控制器

第三步：

与电力公司合作，开展应用推广研究。

很长一段时间，只是关心有没有电的问题，即供电的可靠性；

20世纪后半世纪,国内电力企业和有关学术组织不得不对电能质量标准作出较大的修订补充。

传统的电能质量只包含频率、电压和可靠性（即不断电）三个方面。

随后,部分事故和用户投诉使人们认识到电网中的谐波和三相不平衡现象的严重危害性。

此后,电压波动和闪变也已引起足够重视,在电能质量标准内也已列入此项内容。

2000年以前，我国对电能质量已先后颁布了几个国家标准,对电压允许偏差、电压允许波动和闪变、电网谐波、三相电压允许不平衡度、电力系统频率允许偏差等作出了明确的规定。

目前和将来，推广电能质量体系的实际应用，进一步研究电能质量的分析方法和控制措施。

二电网无功补偿

电网无功补偿的原理和特征

电网输出的功率包括两部分：

一是有功功率；二是无功功率。

直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能。

电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90°。

而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90°。

在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180°。

如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换。

这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功补偿的原理。

电网无功补偿的原则

电力系统中，由于电网和输配设备需要消耗无功功率，为提高配电系统及设备的效率，减少无功功率的传输的损耗，无功补偿设备配置按照“分级补偿，就地平衡”的原则进行合理科学的布局。

根据我国《电力系统安全稳定导则》以及《电能质量供电电压允许偏差》等的规定，无功补偿的具体原则包括以下几个方面:

5）以分散补偿为主的集中补偿和分散补偿相结合。

在变电所集中安装设置容量较大的补偿电容器是集中补偿。

而在包括配电线路、用户的用电设备等配电网络分散的负荷区进行无功补偿是分散补偿。

6）保证各个节点的电压合格，无功裕量充足。

电网无功补偿的基本要求是保证电压的质量合格。

而充足的无功裕量对系统的负荷变化以及突发事件的应急有重要作用。

7）保证区域的经济性、协调性，保证全局的电网处于最优状态。

电网的目标是电网损耗降低，经济效率提高，系统能在最经济状态下运行。

8）要从全局的电压稳定需求出发。

无功补偿应该满足各节点的电压的稳定性，若只是局部补偿，那么可能使得全系统的电压稳定受到影响，因此，系统的无功补偿优先于局部节点的无功补偿。

9）要有紧急控制和常规控制的功能。

在正常情况下，要求系统通过调节各电压控制器的整定值使得受控区域的无功电力在最优状态；当出现紧急情况时，需要系统能够有效进行控制，尽快使节点电压能够在正常范围内。

10）避免频繁的操作调节设备。

调节设备尤其是电容器组、有载调节变压器等，其使用寿命和电压波动是有限制的，因此设备的调节次数是有限制的。

如果采用全局电网优化控制，要尽量避免各个变电站局部调控，变电站和控制设备的操作应该相互配合，保证在满足设备操作的效果情况下，尽可能少的减小全局电网的设备操作。

11）要满足不同的调压方式。

补偿系统可以分时段对母线设置不同的电压限值进行约束，保证不同用户对调压方式的需要。

我国电网无功补偿的原则是：

电网无功补偿应基本上按分层分区和就地平衡原则考虑,并应能随负荷或电压进行调整,保证系统各枢纽点的电压在正常和事故后均能满足规定的要求,避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率。

农村电网无功补偿的原则是：

全面规划，合理布局，分散补偿，就地平衡。

电网无功补偿的发展概述

当电流通过纯电阻性负载时，产生能量转换，由电能转化为热能称为有功功率。

当电流通过纯感性负载或者纯容性负载的时候，产生不消耗电能的无功功率。

实际上，电流流过的负载一般是混合性负载，既不会是纯感性负载或也不会是纯容性负载，因此，在电网运行中产生一定比例的无功功率，其功率因数小于1。

需要进行无功补偿从而提高电能的利用率。

一般情况下，对于大系统，无功补偿调整整个电网电压，有利于电网的稳定；对于小系统，无功补偿不但可以调整电网电压，同时还可以调整三相不平衡电流。

如果一个系统的三相不平衡，那么，可以在各相之间以及相和零线间适当的接入容量合适的电容器，这样各相的功率因数可以补偿到接近于1，同时使得各相的有功电流能够达到平衡。

无功补偿的意义

12）节约电费开支

我国电价政策规定，用电设备容量超过100kVA（kW）的用户，都要实行力率调整电费，力率低于规定值要加罚电费。

无功补偿可提高力率，减少或避免因力率低加收电费，从而节约电费开支。

13）减少线路损失

有功功率损失和功率因数的平方成反比，提高功率因数可降低功率损耗。

14）提高设备供电能力

当S恒定时，若COSφ越高则电源设备输出的有功功率越大，也就是说变压器的供电能力越高。

15）减少线路电压降，改善用户电压质量

功率因数低将使线路上的总电流变大，通过导线电阻和电抗所引起的电压降也必然增大。

提高电路的功率因数后，可以减少无功输送，从而减少电网的电压损失，改善和提高末端用户出的电压，使电气设备的经济运行水平得到提高。

电网无功补偿方式的选择

实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式：

变电所集中补偿；配电线路分散补偿；负荷侧集中补偿；用户负荷的就地补偿。

农村电网无功补偿的方式为：

集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主。

农村电网低压无功补偿分为电动机就地补偿（简称随机补偿）、变压器就地补偿（简称随器补偿）和低压集中补偿。

农村电网低压无功补偿方式的选择应以配电台区为单位进行，大体有如下几种类型。

16）以农村生活照明，农业生产和农副加工为主体的配电台区

综合变压器的容量一般为100kVA及以下，用电设备装置容量一般较小，10kV以上的电动机数量少，电动机的利用率也不高，对于电动机应有条件的采用随机补偿。

在有条件的，在采用随机补偿的基础上再采用低压集中补偿，低压集中补偿是这类配电台区主要补偿方式。

低压集中补偿宜选用手动或时控投切并联电容器组，也可采用随器补偿方式。

17）以乡镇、村办企业为主体的配电台区

配电变压器的容量在100kVA以上，用电负荷较大，一般负荷变化比较频繁，动力负荷比重与设备利用率也较高，这类配电台区低压无功补偿方式的重点是随机补偿。

采用随机补偿后，若功率因数仍较低，则应在随机补偿的基础上采用低压集中补偿，并使配电台区考核点的功率因数达到考核标准。

为了能有效的跟踪无功负荷的变化取得较好的经济效益，这类台区的低压集中补偿宜采用低压并联电容器自动补偿成套装置。

18）以农村生活照明为主体的配电台区

这类配电台区配电变压器容量一般为50kVA及以下，动力负荷主要是家用电器，所占比重较小，无功负荷主要是配电变压器的无功损耗，补偿方式可采用随器补偿。

19）以农村排灌电动机为主体的配电台区

配电变压器一般设置在村落附近或大田中，容量多在100kVA及以下。

这类配电台区的无功负荷主要是电动机消耗的无功，无功补偿方式主要是随机补偿。

从以上分析可以看出，对于农村电网，只有根据具体实际情况，采取合理的无功补偿方式、方法，确定最佳补偿容量，才能够既提高系统功率因数，又能节省投资，达到供电公司和电力用户双方都满意的要求。

电网无功补偿的方法及装置

配电系统中，如果电压波动，那么为了保证系统电压的稳定，必须采用相应的措施使得越限电压恢复稳定，采用的措施一方面包括可以调节变电站变压器分接头，另外一方面还可以通过控制系统中的无功补偿装置，利用改变无功功率，使得电压稳定。

电网系统的无功补偿装置经历了并联电容器，电抗器，同步调相机，静止无功补偿装置和先进的无功补偿器的发展阶段。

20）并联电容器

在配电系统中最常见的无功补偿装置是并联电容器，不能吸收无功功率，但是能够提供系统感性无功功率。

并联电容器结构简单，投资小，运行方便灵活，且安装地点灵活，可以安装在配电变电站、用户端等地方。

其优点是可提高负荷的功率因数，减小变压器的功率及能量的损耗，从而提高变压器以及线路系统的有功传输。

缺点是只能提供补偿感性无功，有负电压效应，系统有谐波的时候，有可能放大谐波的电流，严重的能够烧毁电容器。

21）并联电抗器

并联电抗器主要用于吸收容性无功功率，和并联电容器相反。

当线路沿线分布的电容使轻载或空载线路电压升高超出正常范围时，在线路的末端安装并联电抗器，既可以控制电压，又可以限制操作过电压。

并联电抗器结构简单，投资少，运行成本低，运行方便。

22）同步调相机

同步调相机是产生无功功率的一种动态的补偿装置，实际上是不带机械负荷的同步电动机。

当处于过励磁运行的时候，系统提供感性无功功率成为无功电源；当处于欠励运行的时候，吸收感性无功功率成为无功负荷。

同步调相机能够根据电网系统的无功功率进行运行状态的调整，当过励运行在额定电压的土5％的时候产生无功功率，当欠励运行时能够吸收系统的无功功率。

同步调相机的优点是当系统发生故障电压降低时，可以利用同步调相机提供支撑电压，在短时间内进行强行励磁，从而提高电力系统的稳定性；缺点是需要较大的有功损耗，同时建设费用非常大，维护不方便，工作量大。

23）静止补偿器

静止补偿器能够平滑改变由静止补偿器提供或吸收的无功功率，同时能够根据端电压的变化改变无功功率。

早期静止补偿器需要铁芯磁化到饱和的状态进行工作，会产生很大的噪声，损耗大，此外还会出现非线性电路问题，且不能分相调节以便补偿负荷的平衡。

随着电力电子技术的发展，产生了新型的静止补偿装置SVC，即使用晶闸管的晶闸无功补偿装置。

其优点是响应快速，价格适中。

缺点是谐波大，需要大电容、大电感的器件，且必须连续可调，须在感性工况中才能实现。

24）静止无功发生器

静止无功发生器是把自换相桥式变流器直接并联到电网上，或者利用电抗器并联到电网上进行无功补偿。

静止无功发生器是一种先进的无功补偿装置，它仅仅需要能够维持直流侧电压的较小容量的电容器，而不需要大容量的元件，这样使得装置的成本降低，同时调节的速度很快，运行的范围很宽，并且可以使补偿电流中的谐波减少，因此，静止无功发生器是非常有发展前途的一种无功补偿装置。

三电网电能质量改善及实例

电网无功补偿提高电能质量的途径

通过无功补偿提高电能质量的措施很多，各自存在优缺点，需要根据实际情况采用合理的措施。

采用无功补偿电容器。

无功功率基本不消耗能源，但是在电力网传输会引起有功损耗和电压损耗，合理配置无功功率补偿容量，可以降低电网中有功功率和电压消耗改善用户的电压质量，其安装运行和维护简单。

电力部门补偿和用户的补偿相结合。

根据总无功电力需求，发挥供电部门和用户的积极性，一方面电力部门加强用户无功电力管理，另一方面用户安装补偿设备。

无功补偿要达到总体和局部的平衡，因此可采用分散补偿和集中补偿相结合的方法。

变电器集中补偿，可以降低整个电网的无功损耗，分散补偿，可以降低用户的线损。

采用调压和降低损耗相结合的方法，以降低损耗为主。

利用并联电容器进行无功补偿，减少电网损耗，达到无功平衡。

无功补偿提高电网电能质量的意义

无功补偿提高电能质量的作用主要有：

25）通过无功补偿可以提高用电设备的功率因数；

26）通过无功补偿使得补偿点以前的线路中通过的无功电流减小，从而可以降低输电线路和变压器的损耗：

27）通过无功补偿减少了线路中电压的损失，从而改善了电压的质量；

28）供电设备的功率一定时，增加无功补偿装置，在一定范围内不需要增加供电设备的视在功率，就可以增加有功设备的出力，从而提高了供电设备的带负荷的能力，提高了设备的出力。

甘州区各乡镇较偏远供电所农网的特点

例如偏远供电所主要以10kV电网为主，一个35kV变电站都要有多路10kV线路向外供电，线路长、供电面积大，一条线路可长达百公里。

10kV线路架设在交通不便的山区、丘陵地带较多，加上地势复杂，气候多变恶劣，造成接地故障较多，又不宜查找。

10kV电网均为简单辐射电力网，电网结构已相对确定，用电负荷季节性强、昼夜幅差大，主变压器、配电变压器年平均负载率较低。

无功补偿的方式是：

变电站集中补偿和10kV线路上并联电容器补偿。

供电所无功补偿存在的问题

变电站集中无功补偿容量的选择，是按照工业用电负荷主变容量10-30%来选择的，容量较大，又没有可靠的自动投切装置，仅靠频繁的手动投切，难以适应农网季节性和昼夜无功负荷变化的需要，致使无功补偿设备停用时间较长。

10kV配电线路无功补偿设备的损坏率和事故率较高，有了故障也不宜查找，并且安装和维修的费用也较高，使得安装点较少，安装容量也较小。

即使安装的10kV配电线路无功补偿设备，也几乎处于长期停用状态。

大用户的低压集中无功补偿在偏远地区农网中所占的比例较小，不能解决地区电网的无功平衡。

农电职工队伍素质偏低，而对用户的宣传也不到位，绝大部分用户认识不上去，特别是对无功补偿现实意义的认识较为浮浅。

偏远供电所无功损耗分布

29）　　35kV送电线路：

Q1=Ip2X0•∑L•T•10-3

　　式中：

IP--供电区域线路平均负荷电流Ａ

　　X0--每公里线路感抗值Ω取0.4Ω/km

　　L--供电线路长度kmT--年运行小时

30）　　主变压器：

Q2=（I0%+β2•Vd%）Se/100

　　式中I0%--主变空载电流百分数

　　Vd%--主变实际电压百分数

　　β--主变平均负载系数

　　Se--主变额定容量（千伏安）

31）　　10kV配电线路：

Q3=Ip2•X0•∑L•T•10-3

　　式中：

IP--10kV配电线路平均负荷电流Ａ

　　X0--10kV配电线路感抗值Ω取0.4Ω/km

　　L--10kV配电线路长度kmT--10kV配电线路年运行小时

32）　　配电变压器：

Q4=（I0%+β2•Vd%）∑Se/100

　　式中I0%--配电变压器空载电流百分数

　　Vd%--配电变压器实际电压百分数

　　β--配电变压器平均负载系数

　　Se--配电变压器额定容量（千伏安）

四效果对比与几点说明

效果对比

一年来，通过对无功补偿方案的推行和实施,使得甘州区几个乡镇供电所的平均功率因数、母线电压合格率和线路末端电压合格率都有了明显的提高，从而提高了供电质量。

其中党寨镇供电所无功补偿方案的推行前后平均功率因数由原来的0.78提高到0.92；母线电压合格率由原来的96.7%提高到99.9%；和线路末端电压合格率由原来的88.8%提高到99.8%。

几点说明

33）本无功补偿方案主要是针对党寨供电所农网现状以及无功负荷分布情况制定的，主要是把主变、线路、配变和异步电动机都做为一个负荷来补，抓住重点兼顾一般，即哪里有无功就在哪里就地平衡，因而把电能损失降至最低。

34）在推行本方案的同时应在基本保证电压合格率的前提下，可采用主变有载调压与配变调压相结合的方式进行调压，做到调压与补偿二者的互补。

35）在补偿容量上本方案采用的是点多量小的补偿方式，但也应注意防止过补。

应事前对主变、配变、线路和电动机的容量、型号进行合理配置，并要防止局部和总体过补情况的发生。

36）关于无功补偿给企业、社会带来的一系列的效益，由于限于时间、人力的制约，未在效果对比中全部列出。

致谢

由于本人学识和时间有限，对电网无功补偿优化方面的认识仅局限于此。

特别感谢本次论文指导老师徐正红老师，感谢您在百忙之中，还要抽出宝贵时间，对我的论文进行阅读，之后做出认真的评价，谢谢您徐老师，您辛苦了！

在此我向所以给过我帮助的老师及同事一并表示衷心感谢！

参考文献

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（2）:

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[10]樊力,张宝全,周琛,金属氧化物避雷器在线监测测量结果分析附件

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1.交回学校授予的毕业证书；

2.学校可以在相关媒体上对作者本人的行为进行通报；

3.本人按照学校规定的方式，对因不当取得证书给学校造成的名誉损害，进行公开道歉；

4.本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。

论文作者签名：

朱贤日期：

2015年9月25日

毕业论文知识产权权属声明

本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。

学校享有以任何方式发表、复制、公开阅读、借阅以及申请专利等权利。

本人离校后发表或使用毕业论文或与论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安交通大学。

论文作者签名：

朱贤日期：

2015年9月