培训内容——无功补偿专题

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4.3串联电容器 § 4.3串联电容器
串联电容器与导线串联以补偿线路的感性电抗，这将减小线路所连接点间的 转移电抗，增加最大传输功率，也实际减小无功功率损耗，尽管串联电容器并不 通常用于电压控制的用途，但它们确实能改善电压控制和无功功率平衡。 并补通过减少无功流动，从而直接减少线路有功损耗；串补通过提高电压水 平而减少有功损耗，等容量下不如并补作用强；并补通过减少无功流动而减少电 压损耗，效果不如串补明显，串补由 X C上的负电压损耗抵偿 X L上的电压损耗， 对于配网而言，适用于电压波动频繁、功率因数低的这种极端场合，如焊机和电 弧炉就是典型的低功率因数和间断性负荷。实际上，串联电容器还可以用来提高 两条或者多条并联线路之一的负荷分配。 串联电容和变压器之间如铁磁谐振将产生谐振过电压，比如当对一个空载的 变压器充电或者突然跳开一个负荷时可能会发生这样的情况。因此在配网中，串 联电容未被广泛使用。 很显然，串联电容不可能对其投切，因此，在无功电压控制系统中，它们不 是无功补偿的控制手段。
U ≈ X
' 2C
U2C (U 2' C − U 2' )
其优点：可分散、集中、分相补偿；投资少、功损耗少，无旋转部件，维 护量小，可根据负荷情况分组投切； 缺点：电压急剧下降, 不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。 特点：只发感性无功, 可全部或部分切除，不能平滑调节，因此，当 无功优化模型和控制模型加入后使得数学方程不可微，使得算法变得复杂。
图 2-6负荷无功－电压平衡过程
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§ 3 无功与损耗的关系
电力网的线损一直以来是衡量电力系统建设和完善化以及运行管理水平高低 的一项综合性指标，进行合理的无功补偿，不但可以调节电压，也是降低网络损 耗的有效措施。 (P 2 + Q 2 )R 功率损耗计算公式 ∆ P = U2 (2-8) 从式(2-8)可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率 损耗。一方面，当输送功率( P2 + Q2 )一定时，功率损耗与网络电阻(R)成正比， 即网络电阻越大，功率损耗越大；另一方面，当输送的有功功率一定时，输送的 无功功率越多，总的有功损耗就越大，反之输送的无功功率越少时，总的有功损 耗就越小。 但通常情况下网络电阻由固有的网络结构决定，改造费用比较大，因此总的 功率损耗的增加或减少决定于输送的无功功率的变化。 例如，当cos=0.7时，Q=P，则有 ∆P = ∆P ，即由输送无功功率Q造成的有功 p Q 损耗与输送有功功率P所造成的有功损耗相等。
C = 0 . 0241 × 10 − 6 Dm lg r0
Qc = 2πfCU 2 L =
B0 2 U L × 10 3 2
经过分析：220kV的输电线路的单位充电功率明显比110kV及以下电压 等级要高。对于50km的LGJ-240单导线，其无功为6350kvar，数量可观。 对于110kV及其以下的导线充电功率在工程计算当中可以忽略。
图 2-12 SVC补偿图
SVC的缺点是不论何种型式的静止补偿器，它们所产生的感性无功仍是 依靠其中的电容器，因此当系统电压水平过于低下，迫切需要补偿器增 加其感性无功功率输出时，补偿器往往无法增加，这是SVC所无法克服的 缺陷，并且还有谐波污染。
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§ 4.7 输电线路
运行中输电线路是一种无功电源，由于架空线路的导体相互间是平行 排列，互相之间有电容效应；架空线路也有对地电容。正是有电容电流的 存在而产生充电功率，其无功容量的大小与运行电压的平方成正比。 在不计避雷线及大地的影响时，三相架空线路每相每公里的等值电 容和充电功率近似由下式计算：
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4.5同步调相机 § 4.5同步调相机
同步调相机是没有原动机或机械负荷的同步机，通过控制励磁来发出 或吸收无功功率。同步调相机通过电压调节器，它可以自动调节无功功率 输出以保证恒定的端电压，从电力系统吸收小部分有功功率以补偿损耗。
图 2-11 调相机补偿 同步调相机的优点是能平滑调节、强励故障时也能调节，有利于稳定性， 是不错的无功调节手段；缺点是造价要比并联电容器高，投资大，设备复杂， 损耗稍大，一般为额定容量的1.5-5%，维护量也大。 0 如图2－11，过激运行时发出无功，此时调相机作为无功电源， < ϕ < 180 ； − 欠激运行时吸收无功，此时为无功负荷， 180 <ϕ < 0。在实际运行当中，要考 虑连续的“铭牌”出力和短时的过载能力，并不是无级无功调节。 同步调相机一般安装在枢纽变电所。
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§ 1 引言
电网中大多数网络元件需要消耗无功功率（如不特别说明，本 文专指感性无功功率），而且大多数用户的负荷要消耗无功功率， 无功电力的生产同有功电力的生产一样同等重要。 电网运行时，电网各节点的电压与无功潮流的分布密切相关， 无功潮流的分布又和无功电源的分布有关。由于无功电力不提倡长 距离输送，进行相应的无功补偿，提高电压质量,进行功率因数校 正，对于电力系统运行来说是必备的手段。 无功电压综合控制，与多数无功补偿设备的性能、特点息息相 关，在建立无功电压控制模型之前，必须先了解电压和无功的关系 以及各种无功补偿设备的特性。
图 2-3 简单电源系统
§ 2.3 负荷无功－电压静态特性 负荷无功－
负荷无功－电压静态特性曲线与系统无 功－电压静态特性曲线相对应，如图2－5曲 线组。曲线负荷大于曲线1。
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负荷无功－ § 2.4 负荷无功－电压平衡过程
如图2-6,假使初始运行点在 U A ，此时对应为负荷无功－电压特性曲线1 与系统无功－电压静态特性曲线2；负荷无功突然增加，由于电源的无功 不能突变，因此负荷点无法维持原来的电压，负荷点电压沿曲线2下降 ' 到 U A ，这是负荷点牺牲电压平衡无功缺额的过程，此时无功负荷水平为 曲线1' ；随着发电机励磁电流增大，系统增发无功，E值不断变化，系统 无功－电压特性曲线也同时变化，负荷点电压逐步回复，负荷点电压沿曲 ' 线 1 上升，直到与曲线 2 '相交，到达无功－电压新的平衡点。
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§ 4.4并联电抗器 4.4并联电抗器
并联电抗器的性质与并联电容器的性质相反，从补偿感性无功的角度来 说是负补偿，因而常用于补偿线路电容的作用，特别是限制由于轻载负荷 所引起的电压升高。特别是在超高压(EHV)输电架空线路长于200km时线路 充电电容不可忽视,通常需要安装并联电抗器。 足够大的并联电抗器必须永久与线路相连，以限制在小于1s的时间内基 波暂态过电压达到1.5pu，这种与线路连接的电抗器也用于限制充电过电压 ，如开关投切暂态。在轻负荷时，在220kV及以上的线路中，线路充电功率 过大，有可能会引起电压过高，危及高压电网的运行，此时为了保证正常 电压的附加并联电抗器（实际上，也可强行限制地区网通往省网关口的功 率因数）。当然，在重负荷时可能一部分并联电抗器需从系统中切除。 在地区级电网无功电压控制中，电抗器个数比较少，在一些对其拥有 控制权的220kV变电所中可能装有电抗器，此时也可以作为控制手段之一。
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§ 4.2并联电容器 4.2并联电容器
在地区电网无功补偿中，并联电容器广泛应用于功率因数校正和馈电电 压校正，是应用最多的无功补偿装置，通常安装在10kV母线上。一般来说， 每个变电所安装1～4组左右，对于负荷较大的110kV变电所和220kV变电所， 则安装更多组数的电容器。 PR + QX ' U 补偿前： U 1 = U 2 + 如图,假定补偿前后， 1不变。 U 2' PR + (Q − QC ) X ' U 补偿后： 1 = U2C + ' 得到：Q C
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§ 4 电网中的无功电源
§ 4.1同步发电机 4.1同步发电机
发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源。发无功的能力 与同时发出的有功有关系，由发电机的PQ PQ极限曲线决定。 PQ 在地区电网的无功调度中，一般来说发电机不是主要的无功补偿手 段。与省网环网不同，地区一级电网中发电机数量不多，而且许多发电 机不能直接AGC控制，无法体现发电机无功快速调节的特点；发电机不能 长期低功率因数运行；发电机的无功也不适宜于长距离传送；从电压稳 定和保持电网冗余以增加抗故障的能力，应该尽可能保证发电机的无功 冗余度。因此，在地区一级的无功电压控制中不大用发电机作为无功补 偿手段。 但对于发电机控制方便，且临近变电所的负荷波动频繁的地区，可 以利用发电机的快速、连续可调的特点进行无功补偿，以减少电容器等 无功设备的投切次数，不失为可行的办法。
∆U
2
Q2X ≈ U 2
δU 2
P X = 2 U2
P 2X U 2 δ 1 = tg U 2 + ∆U 2
−1
可以得出在高压配电系统中： 线路(变压器)两端电压幅值差，主要是由于输送的无功功率产生 的（或电压幅值差是传送无功功率的条件，V-Q强耦合，V-P弱耦合）， 无功从电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点； 线路(变压器)两端电压相角差，主要是由输送的有功功率产生的 δ δ （电压相角差是传送有功功率的条件， -P强耦合， -Q弱耦合），有功 从电压相角超前节点流向电压相角滞后节点。 因此，适度地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。 因此，适度地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。
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§ 2 电压与无功的关系
PQ解耦特性 § 2.1 PQ解耦特性
图2-1 电力线路的电压和功率 显然，向量图中可得：
图 2-2 向量图
U2
P2 X − Q2 R δU 2 = U2
δ 1 = tg
−1
δU 2
U 2 + ∆U 2
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在高压输电系统中,可以近似的认为X>>R,于是由式可得：
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4.6静止无功补偿器 静止无功补偿器(SVC) § 4.6静止无功补偿器(SVC)
静止无功补偿器是并联连接的静止发生器或吸收器，其输出是随电力系 统特定的状态参数而变化的。“静止”是指SVC没有运动或者旋转主元件， 这与同步调相机不同。 如图2-12为SVC的连接简图，可以看出，SVC发出的感性无功功率仍然依 靠其中的电容器。 从无功补偿的角度来看： Q = QD + QL − QC SVC的优点是调节能力强，反应速度快，特性平滑， 可以分相补偿，维护简单，损耗小在国外已大量使 用，国内也开始使用。
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§ 2.2 系统无功－电压静态特性 系统无功－
1'
图 2-4 无功-电压静态特性曲线 IX sinΦ E cosδ −U U 如图 2-3 为一电源系统: Q = UIsinΦ = U ⋅ Σ =U = (E cosδ −U) XΣ XΣ XΣ 根据不同的E值可以绘出不同的U-Q曲线，如图 2-4。从图中可以看出， 随着E增加，曲线的顶点（( E cos δ ) 2）也升高, U不会低于顶点；负荷端电 压U值越高，由电源通过线路（变压器）输送到负荷端的无功将减少。
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§ 4.8 变压器
变压器不能作为无功电源，相反消耗电 网中的无功功率，属于无功负荷之一。变压 器分接头(抽头)的调整不但改变了变压器各 侧的电压状况 ,同时也对变压器各侧的无功 功率的分布产生影响。 图 2-15 有载调压变压器原理图 图2-5为内部有调压绕组有载调压变压器原理接线图。可在带负荷的情 况下改变分接头位置的特殊切换装置有两个可动触头K1和K2，为了防止可动 触头在切换过程中产生电弧使变压器绝缘油劣化，在可动触头K1、K2前面接 入接触器Ja、Jb，并放在单独的油箱里，在调节分接头时，先断开接触器Ja ，将可动触头K1切换到相邻的分接头上，然后重新合上接触器Ja，另一可动 触头K2也采取相同的步骤，移到这个相邻的分接头上，这样一步步地移动， 直到K1和K2都接到所选定的分接头位置为止。当切换过程中K1、K2分别接在相 邻的两个分接头位置时，电抗器DK限制了回路中流过的短路电流。110KV及 以上电压级变压器的调压绕组放在中性点一侧，使调节装置位于较低电位。