1、无功补偿装置技术及原理无功补偿装置技术原理及内容 无功功率与功率因数无功功率与功率因数 有功与无功的关系有功与无功的关系 影响功率因数的因素影响功率因数的因素 无功补偿的定义及意义无功补偿的定义及意义 无功补偿常用的方法无功补偿常用的方法 无功补偿装置无功补偿装置 SVC的发展和意义的发展和意义一、无功功率与功率因数 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的无功并不是无用的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外
2、，还需要无功电源，两者缺一不可。无功功率单位为乏(Var)。 在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cos，其计算公式为： cos=P/S=P/（P2+Q2） 在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。 二、有功与无功的关系 有功功率常用P表示，无功一般用Q来表示，功率因数为cos,有功与无功有如下关系式表示：三、影响功率因数的因素 (1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的
3、统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了6070；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的6070。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。 (2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的1015，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。 (3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。 当供电电压高于额定值的10时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110时，一般无功将增加35左右。当供电
4、电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。 四、无功补偿的定义及意义 交流电在通过纯电阻的时候，电能都转成了热能，而在通过纯容性或者纯感性负载的时候，并不做功。也就是说没有消耗电能，即为无功功率。当然实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。 电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功
5、功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率。也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。这种做法称为无功补偿。 电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简称无功补偿）设备在电力系统的各
6、个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。无功补偿可以收到下列的效益：提高用户的功率因数，从而提高电工设备的利用率；减少电力网络的有功损耗；合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改 善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；装设静止无功补偿器(SVS)还能改善电网的电压波形,减小谐波分量和解决 负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起 的附加电能损失和局部过热。 五、无功补偿的方法
7、 无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。 (1)低压个别补偿: 低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。 (2)低压集中补偿： 低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器
8、低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。 (3)高压集中补偿： 高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的610kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。
9、同时便于运行维护，补偿效益高。 按投切方式分类: 1. 延时投切方式延时投切方式即人们熟称的“静态”补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量
10、可以是功率因数或无功电流或无功功率。2. 瞬时投切方式瞬时投切方式即人们熟称的“动态”补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。 3.混合投切方式实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其
11、控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。 4. 在无功功率补偿装置的应用方面，选择那一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。一般电焊工作时间均在几秒钟以上，电动机启动也在几秒钟以上，而动态补偿的响应时间在几十毫秒，按40
12、毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程，动态补偿装置能完成这个过程。六、无功补偿装置无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。 电力系统的无功电源除了同步电机外，还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性
13、无功。 (1)同步电机： 同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。 同步发电机： 同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率： Q=Ssin=Ptg 其中:Q、S、P、是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。 发电机正常运行时,以滞后功率因数运行为主,向系统提供无功，但必要时,也可以减小励磁电流,使功率因数超前,即所谓的进相运行，以吸收系统多余的无功。 同步调相机: 同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。但它的有功损
14、耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行。 并联电容器： 并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为向电网发无功功率： Q=U2/Xc 其中：Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。 并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。 静止无功补偿器： 静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无
15、功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。 静止无功发生器： 它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。 与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。 无功功率补偿控制器 无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率
16、型、无功电流型。选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。控制器是无功补偿装置的指挥系统，采样、运算、发出投切信号，参数设定、测量、元件保护等功能均由补偿控制器完成。 七、静止无功补偿装置电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行动态补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达75。随着电力电子
17、技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置（SVC：Static Var Compensator）。SVC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。 无功动态补偿装置工作原理与结构特点无功动态补偿装置工作原理与结构特点 无功动态补偿装置由控制器、晶闸管、并联电容器、电抗器、过零触发模块、放电保护器件等组成。装置实时跟踪测量负荷的电压、电流、无功功率和功率因数，通过微机进行分析，计算出无功功率并与预先设定的数值进行比较，自动选择能达到最
18、佳补偿效果的补偿容量并发出指令，由过零触发模块判断双向可控硅的导通时刻，实现快速、无冲击地投入并联电容器组。静止无功补偿技术的发展 静止无功补偿的作用与类型 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能 : （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）降低过电压。 （5）减少电压闪变。 （6）阻尼次同步振荡。 （7）减少电压和电流的不平衡。应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在
19、一起的负载的补偿效果（负载补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。 早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。 SVC近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功补偿。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题
20、，因而未能占据SVC的主流。采用并联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。 并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器的自动补偿。前者是不能调节的，不能进行动态补偿；后者用开关投切电容器，能进行动态无功补偿。传统的电容器动态无功补偿装置采用机械开关（接触器或断路器）投切电容器。机械开关的开关速度较慢，不可能快速跟踪负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样开关触头易受电弧作用而损坏，而且可能使电容器承受过电压而击穿。 随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于SVC装置中，出现了晶闸管控制电抗器（TCR）
21、和晶闸管投切电容器（TSC）这两种基本结构型式的SVC，以及它们的混合装置，如TCRTSC、TCRFC等。 使用晶闸管对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或控制的优点是响应速度快，可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年来发展很快，静止无功补偿装置（SVC）这个词往往专指使用晶闸管等电力电子开关器件的静止无功补偿装置。 SVC主要有晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor Control Reactor）、晶闸管开关电容器 （TSC：Thyristor Switch Capacitor）。比SVC更先进的无功补偿装置是静止无功发生器 （SVG：Static VarGenerat
22、or）。 晶闸管控制电抗器 (TCR) 晶闸管控制电抗器(TCR)无功补偿装置的单相原理图如图1.1所示。两个反并联的晶闸管(SCR)与一个电抗器(L)相串联，其三相多接成三角形。这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载。 Svc工作原理： Svc称为“静止型动态无功补偿器”，主要用于补偿用户母线上的无功功率，这是通过连续调节其自身无功功率来实现的。用Qs表示系统总无功功率，Qf为用户负荷的无功功率，QL为晶闸管控制电抗器（TCR）的无功功率，Qc为电容器无功功率，上述平衡过程可以用如下公式来表达： Qs= Qf+ QL- Qc=常数=0 负荷工作时产生感性无功Qf，补偿装置中的
23、电容器组提供固定的容性无功Qc，一般情况下后者大于前者，多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷Qf变化时，SVC控制系统调节TCR电流从而改变QL值以跟踪，实时抵消负荷无功，动态维持系统的无功平衡。 TCR的组成及工作原理： 两个反并联的晶闸管(SCR)与一个电抗器(L)相串联，其三相多接成三角形。这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载。 TCR采用相控原理，其有效移相范围为901 80。当触发角=90时，晶闸管全导通，导通角=180，此时电抗器吸收的无功电流最大。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量。所以通过调整触发延迟角的大小就可以改变补偿器
24、所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。由于单独的 TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，因此可以将并联电容器与 TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR+FC)和 TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR +MSC)。这种具有 TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用广泛。 SVC控制系统组成： SVC控制系统由控制柜、脉冲柜和功率单元三部分组成。控制柜采集现场的电压、电流信号，计算处理后发出脉冲，同时监测晶闸管运行状况。脉冲柜将触发脉冲转换为符合要求的脉冲信号，实现触发。功率单元由晶闸管、阻容吸收、热管散热器、脉冲变压器、BOD板和击穿监测板六部分组成，串入电抗器回路，在脉冲信号控制下操纵晶闸管通断，使电抗器通过预期的补偿电流。
