无功补偿装置技术及原理分析
无功补偿装置的工作原理与结构
无功补偿装置的工作原理与结构无功补偿装置是一种重要的电力设备，用于提高电网的功率因数，减少无功功率的损耗。
它在工业生产、电力系统中发挥着重要的作用。
本文将介绍无功补偿装置的工作原理和结构，以便读者更好地理解和应用。
一、工作原理：无功补偿装置的工作原理基于功率因数的概念和相位关系。
功率因数是指有功功率与视在功率之间的比值，通常用cosφ表示。
在电力系统中，发电机产生的功率可以分为有功功率和无功功率。
有功功率用来做实际的功率输出，而无功功率则是电能在传输和分配过程中的无效功率。
无功补偿装置通过将无功功率与有功功率的相位差调整到最小，从而减少无功功率的损耗。
它采用电容器或电感器进行补偿，根据电力系统的需求，在适当的时候引入或消除电容器或电感器，使得电压和电流的相位一致，功率因数接近1，达到无功补偿的效果。
无功补偿装置通常由控制器、电容器或电感器、断路器等组成。
控制器通过监测电流和电压的波形，实时判断无功功率和功率因数的大小，根据设定值控制电容器或电感器的引入或消除。
断路器用于保护电容器或电感器，防止过电流和短路等故障。
二、结构及组成部分：无功补偿装置的结构通常分为静态型和动态型两种。
静态型无功补偿装置主要由电容器组成。
电容器由多个电容单元串联或并联而成，具有较大的容量。
一般采用铝电解电容器或聚丙烯薄膜电容器，具有容量大、体积小、功耗低等优点。
静态型无功补偿装置在电力系统中安装方便，故障率低，适用于中小型电力负载。
动态型无功补偿装置主要由控制器、开关装置和电感器组成。
控制器负责监测和控制整个系统的运行。
开关装置用于控制电感器的引入和消除。
电感器由多个线圈组成，可以根据电力系统的需求来调整无功功率的补偿量。
三、应用场景：无功补偿装置广泛应用于电力系统、工矿企业以及特定负载场景中。
在电力系统中，无功补偿装置可以提高电压稳定性，减少线路损耗，降低电力设备的负荷率。
在工矿企业中，无功补偿装置可以提高设备的效率，减少电能损耗，节约能源。
无功补偿的作用及原理
无功补偿的作用及原理电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。
它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。
电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。
有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图1所示式中S——视在功率，kVAP——有功功率，kWQ——无功功率，kvarφ角为功率因数角，它的余弦(cosφ)是有功功率与视在功率之比即cosφ,P/S称作功率因数。
由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数cosφ越小，则所需的无功功率越大。
如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需增大。
这样，不仅增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。
为此，国家供用电规则规定:无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。
还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。
因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。
无功补偿的基本原理是:把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。
这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。
这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。
采用并联电容器进行无功补偿的主要作用:1、提高功率因数如图2所示图中P——有功功率S1——补偿前的视在功率S2——补偿后的视在功率Q1——补偿前的无功功率Q2——补偿后的无功功率φ1——补偿前的功率因数角φ2——补偿后的功率因数角由图示可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿量Qc,Q1-Q2)，功率因数角由φ1减小到φ2，则cosφ2,cosφ1提高了功率因数。
无功补偿装置的作用及工作原理
无功补偿装置的作用及工作原理无功补偿装置是用于改善电力系统无功功率的设备，其作用是提高电力系统的功率因数，降低无功功率的流动以减少电力系统的无用能量损耗、提高系统的供电质量以及稳定运行。
无功补偿装置通常是由无功补偿电容器或者无功补偿电抗器构成，根据电力系统需要的补偿类型安装相应的补偿装置。
无功补偿装置的工作原理主要基于电流和电压之间的相位差。
功率因数是电流和电压之间相位差的函数，当电流和电压的相位差为零时，功率因数为1，这时电力系统处于纯阻性负载状态，所有的电能都被有效地转换为有用功。
然而，在现实情况下，电力系统中通常存在着诸如感性负载和容性负载等非纯阻性负载，导致电流和电压之间存在一定的相位差，功率因数小于1、当电流的相位落后于电压相位时，这被称为感性载荷，而当电流的相位超前于电压相位时，这被称为容性负载。
1.无功补偿电容器补偿：电容器具有存储能量的特性，当电容器与电力系统并联时，它可以吸收电流中的无功功率。
当系统的功率因数较低时，通过将无功补偿电容器与系统并联，可以吸收电流中的无功功率，并提高功率因数。
电容器通过补偿无功功率，降低系统中的无功损耗，提高电力系统的效率。
2.无功补偿电抗器补偿：电抗器和电容器相反，它消耗无功功率。
当系统的功率因数过高时，通过将无功补偿电抗器与系统并联，可以消耗电流中的无功功率，并提高功率因数。
电抗器通过消耗无功功率，减少系统中的无功损耗，提高电力系统的效率。
无功补偿装置通常使用自动补偿装置来监测系统的功率因数，并根据实际需求控制补偿装置的投入和退出。
当系统的功率因数较低时，自动补偿装置会投入补偿电容器来提高功率因数；当系统的功率因数较高时，自动补偿装置会退出补偿电容器，防止系统过补偿，从而实现自动无功补偿。
总而言之，无功补偿装置通过调整电流和电压之间的相位差来提高功率因数，降低系统的无功功率流动，减少无用能量损耗，并保证电力系统的稳定运行。
无功补偿装置的应用可以提高电力系统的供电质量，减少系统的能耗，对于提高电力系统的效率和可靠性具有重要作用。
电气自动化中无功补偿技术的应用分析
73M achining and Application机械加工与应用电气自动化中无功补偿技术的应用分析朱 根（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司能源动力厂，山东 济南 271104）摘 要：电气自动化技术的日渐纯熟促进了我国工业生产总值的可持续增长，尤其在进入二十一世纪后，工业生产领域电气设备数量不断增长，在满足正常生产需求的同时，电力能源消耗也呈现出逐年递增态势。
在这种形势之下，无功补偿技术逐步在电气自动化生产当中得到普遍推广和应用，该技术不仅能够提升供电效率，降低线路损耗，同时，能够节省大量的电力能源，进而为工业生产企业创造更多的经济效益。
因此，本文将围绕无功补偿技术的基本原理，以及在电气自动化中的应用优势与效果展开全面论述。
关键词：电气自动化；无功补偿技术；基本原理；具体应用中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）24-0073-2 收稿日期：2020-12作者简介：朱根，男，生于1989年，汉族，山东平阴人，本科，中级工程师，从事电气设备技术与管理工作。
电力供电系统作为各种自动化电气设备的能源供应装置，为工业生产企业的自动化生产提供了源源不断的动力能源。
但是，受到电力供电系统功率因数的影响，系统在提供电力能源的同时，极易出现供电变压器与输送线路损耗，进而影响电网的供电质量，导致自动化电气设备无法正常运转。
而无功补偿技术的出现，能够提高电网的功率因数，有效改善供电环境，并且在保持稳定供电电压的前提下，能够节省大量的电力能源。
1 无功补偿技术基本原理无功补偿又称之为无功功率补偿，是电力供电系统当中调节和改善供电环境，提升电网功率因数的重要装置。
近年来，由于我国工业生产过程中使用的自动化电气设备越来越多，导致设备功率消耗量巨大，无形当中就增加了企业的经济负担。
而无功补偿技术的出现恰恰解决了这一难题，尤其在电气自动化生产过程中的应用，使得电网供电质量得到可靠保障，进而电网的电力能源损耗量也显著降低，因此，无功补偿装置始终在电力供电系统中扮演着不可或缺的角色。
无功补偿装置的分类及原理
无功补偿装置的分类及原理无功补偿装置是电力系统中的重要设备，可以通过对无功功率的调整来提高电力系统的功率因数，提高供电质量。
本文将对无功补偿装置的分类及原理进行详细介绍。
一、无功补偿装置的分类根据无功补偿装置的工作原理和结构特点，可以将其分为以下几类：静态无功补偿装置、动态无功补偿装置、谐波滤波无功补偿装置和电容式无功补偿装置。
1. 静态无功补偿装置静态无功补偿装置是通过电子元件，如电容器、电抗器等，来实现无功补偿的装置。
根据无功补偿的方式，静态无功补偿装置可以进一步细分为并联补偿和串联补偿。
并联补偿装置主要是通过并联连接电容器来补偿电路中的无功功率，这样可以提高功率因数，提高电网的稳定性。
而串联补偿装置则是通过串联连接电抗器来调整电路中的无功功率，来实现无功补偿的效果。
2. 动态无功补偿装置动态无功补偿装置主要是通过控制器来控制电容器的连接和断开，以实现对无功功率的补偿。
具有响应速度快、调节范围大等优点，适用于电网无功功率变化较大的情况。
3. 谐波滤波无功补偿装置谐波滤波无功补偿装置主要用于滤除电网中的谐波成分，以提高电网的谐波污染程度，保证电网的供电质量。
常见的谐波滤波无功补偿装置主要包括谐波滤波器和无功发生器。
4. 电容式无功补偿装置电容式无功补偿装置是一种通过电容器来实现无功补偿的装置。
通过控制电容器的容量和连接方式，可以实现对电网的无功功率进行精确调节。
二、无功补偿装置的原理无功补偿装置的原理主要是通过改变电路的电流和电压之间的相位差，来实现对电流中的无功功率的补偿。
当电力系统中存在导致无功功率的负荷或设备时，会导致电流与电压之间的相位差，从而产生无功功率。
无功补偿装置通过调整系统中的无功补偿元件（如电容器或电抗器）的连接和断开方式，来改变电路中的相位差，从而实现对无功功率的补偿。
在静态无功补偿装置中，通过控制无功补偿元件的连接或断开来改变相位角。
对于串联补偿装置，通过增加或减少串联电抗器的容值，来改变电路的无功功率。
SC无功补偿的基本原理
动态无功补偿技术
总结词
动态无功补偿技术能够快速响应系统无功需求的变化，有效抑制电压波动和闪变，提高电力系统的动 态性能。
详细描述
动态无功补偿技术采用高速的开关器件和先进的控制算法，能够在毫秒级的时间内响应系统无功需求 的变化，快速调节补偿装置的输出。这种技术能够显著抑制电压波动和闪变，提高电力系统的动态性 能，保证电力系统的稳定运行。
对电网依赖度高
可能引发共振问题
SC无功补偿装置的运行效果很大程度上取 决于电网的运行状态，一旦电网出现故障 ，补偿装置可能无法正常工作。
在特定情况下，SC无功补偿装置可能引发 系统共振问题，对电网和电气设备造成损 害。
SC无功补偿的改进方向
研究新型控制策略
通过研究新型的无功补偿控制策略 ，提高补偿装置的响应速度和补偿 精度，以适应不断变化的电网状态 。
响应速度
SC无功补偿装置具有快速的响应速度，可以在短时间内对负载的无功 需求进行补偿。
SC无功补偿的电路结构
01
电路组成
SC无功补偿装置通常由控制器、电容器、电抗器、投切开关等部分组
成。
02 03
工作流程
控制器根据实时监测到的无功功率值，控制投切开关的通断，以决定是 否向系统注入无功功率。电容器和电抗器共同组成了补偿电路，用于产 生无功功率。
详细描述
分散补偿方式适用于线路较长、负荷较大的情况，能够减少线路损耗，提高电压 稳定性。分散补偿装置一般采用固定或自动投切方式。
就地补偿方式
总结词
在电动机或变压器等设备附近就地安装无功补偿装置，实现 对特定设备无功功率的精确补偿。
详细描述
就地补偿方式能够显著降低设备启动和运行时的电流，减少 线路损耗，提高设备使用寿命。同时，就地补偿还能够改善 设备启动和运行时的电压质量。
无功补偿装置的工作原理及应用
3.1SVC的工作原理及在电网中应用TCR＋TSC型SVC的基本拓扑结构见图1。
它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成，在实际系统中，TSC及无源滤波的组数可根据需要设置图1TCR＋TSC型SVC基本拓扑结构TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小，从而输出连续可变的无功功率。
图1中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行，通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。
α的计量以电压过零点为基准，α在90°～180°之间可部分导通，导通角增大则电流基波分量减小，等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。
导通角在90°～180°之间连续调节时电流也从额定到0连续变化，TCR提供的补偿电流中含有谐波分量。
TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。
这里，晶闸管只是作为投切开关，而不像TCR中的晶闸管起相控作用。
在实际系统中，每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器，以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值，同时避免与系统产生谐振。
用晶闸管投切电容器组时，通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。
由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换，因此它不会产生谐波，但它对无功功率的补偿是阶跃的。
TCR和TSC组合后的运行原理为：当系统电压低于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差（过补偿），此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有TCR运行。
图2给出了该控制方式下稳定系统电压时采用的控制框图，控制器所需信号为系统线电压和线电流。
如果用于补偿系统无功功率或校正系统功率因数，只需将电压设定值改为相应的无功设定值或功率因数设定值即可。
低压无功补偿的作用和原理
低压无功补偿是一种电力系统中常用的电力调节技术，它主要通过对电流的调整来改善电网的功率因数和电压质量。
其作用和原理如下：作用：1. 改善功率因数：低压无功补偿可以通过提供并吸收无功功率来改善电网的功率因数。
当功率因数低于标准值时，无功补偿设备可以注入无功功率，降低系统的无功功率，从而提高功率因数。
2. 提高电压稳定性：无功补偿设备可以通过调整电网中的无功功率来控制电压水平。
当电压低于标准值时，无功补偿设备可以注入无功功率，提高电网的电压水平，从而提高电网的稳定性。
3. 减少线路和设备的损耗：由于无功补偿可以改善功率因数，从而减少了系统中的无效功率流动，使得电网中的线路和设备的损耗减少。
原理：低压无功补偿通常采用电容器和电抗器来实现。
电容器用于提供无功功率，而电抗器用于吸收无功功率。
1. 电容器：电容器可以存储和释放电荷，当系统需要额外的无功功率时，电容器可以通过释放电荷来提供所需的无功功率。
这样可以减少系统中的无功功率需求，改善功率因数。
2. 电抗器：电抗器是一种能够吸收无功功率的装置。
当系统中存在过多的无功功率时，电抗器可以吸收部分无功功率，从而降低系统中的无功功率，改善功率因数。
低压无功补偿通常通过控制电容器和电抗器的开关状态来实现对无功功率的调节。
根据电网的需求，可以使用静态补偿装置（如电容器和电抗器组）或动态补偿装置（如STATCOM和SVC）来实现无功功率的补偿。
总的来说，低压无功补偿的作用和原理是通过调节无功功率来改善功率因数、提高电压稳定性，减少线路和设备的损耗，从而优化电力系统的运行和效率。
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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。
(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6～10kV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。 同时便于运行维护，补偿效益高。
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 有功与无功的关系 影响功率因数的因素 无功补偿的定义及意义 无功补偿常用的方法 无功补偿装置 SVC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，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cosφ，其计算公式为： cosφ=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cosφ,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60％～70％；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60％～ 70％。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10％～15％， 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。
五、无功补偿的方法
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，因此不会故率低等优点。
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： ①提高用户的功率因数，从而提高电工设备的利用率； ②减少电力网络的有功损耗； ③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； ④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； ⑤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。