配電網(wǎng)中幾種無功補償技術(shù)方案比較 -畢業(yè)論

1、.【標題】 配電網(wǎng)中幾種無功補償技術(shù)方案比較 【作者】李興亮 【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)絡(luò)  無功補償     功率因數(shù)改善 【指導老師】彭厚德 【專業(yè)】物理學 【正文】1. 緒言1.1研究背景及現(xiàn)狀隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活的不斷提高，人們對電力的需求日益增長，同時對供電的可靠性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。隨著市場經(jīng)濟步伐的不斷加快，電力部門也希望提高經(jīng)濟效益。而提高負載的功率因數(shù)是提高經(jīng)濟效益的方法之一。目前，針對不同的負載，采用不同的無功補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)的文獻都不是很多，特別是討論眾多方法中，哪些方法更加

2、經(jīng)濟合理的就更不多。本文要解決的問題主要是對不同的負載應采用什么方法來提高功率因數(shù)，并且對哪些方法更加經(jīng)濟合理做出比較。提高功率因數(shù)的的方法很多，本文采用的是無功補償提高功率因數(shù)。那么功率因數(shù)有那一些優(yōu)點1（1）補償無功功率，可以增加電網(wǎng)中的有功功率的比例。（2）無功補償可以提高電能的利用率，從而減少投資。因此，對新建，改建工程，應充分考慮無功補償。（3）降低線損，在保證負載有功功率不變的情況下。 或 ，  為補償后的功率因數(shù)， 為補償前的功率因數(shù),則 ，所以提高功率因數(shù)后，電路中的電流減小了，線損率也下降了。增加電網(wǎng)中的有功功率的輸

3、送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟效益。在日常生活中，一般的用電設(shè)備都是電感性的，如工廠里的電動機，它會產(chǎn)生感性無功功率，不但使線路消耗電能，增加線路的負擔，更是占用電源變壓器的容量，是不好的。這時如果在電動機上并聯(lián)電容器，使感性負載與容性負載的作用相互補償，這時對變壓器來說就增加了功率的利用率。無功補償裝置就是配套的電容器（由許多只電容器并聯(lián)而成），它由自動控制設(shè)備自動接入電路，既不會補償不足，也不會補償過頭。1.2研究內(nèi)容及意義在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需要的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形

4、式能量（如機械能，光能，熱能）的電功率；無功功率就是不消耗電能的用電設(shè)備所占用的功率，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持電場和磁場的電功率。它對外不做功，而是電磁能的相互轉(zhuǎn)換2。若是把電容器接入交流電路中，電源就會對電容器進行充放電，這樣就引起電流，充電時電容器儲存電能，放電時電容器把電能又還給電源，這樣電容器這個用電設(shè)備本身并不消耗電能，然而它卻有功率（功率等于電壓有效值乘以電流有效值），這就是容性無功功率。電容器雖然不消耗電能，但是因為有電流，所以輸電線路上會消耗電能（電線都有電阻），對供電的電源變壓器來說更是一種負擔，因為變壓器的容量（它能提供的功率）是有限的，

5、無功功率會占用變壓器的容量，使正常供電受到影響。同樣，把一只電感器接入交流電路，也會產(chǎn)生無功功率，叫感性無功功率。如電感元件建立磁場占用的電能,電流通過電感元件中時, 電壓超前于電流90。若是電流通過電容元件中時, 電壓滯后電流90。在同一并聯(lián)電路中（電感與電容并聯(lián)補償）,電感電流與電容電流方向不同,互差180。如果在含有電感元件的電路中有比例地安裝電容元件,使電感無功功率與電容無功功率相互補償,使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角減小,從而提高電能利用率,這就是無功補償?shù)牡览?。我們了解了無功補償?shù)牡览恚菬o功補償?shù)慕?jīng)濟效益在那里3（1）減少電能損耗及增加供電企業(yè)的經(jīng)濟效益。（

6、2）可以增加發(fā)電容量。（3）可以增加輸電容量。（4）可以增加配電容量。（5）減少了各元件及線路的損耗。（6）改善電壓的質(zhì)量。2.提高功率因數(shù)在電力系統(tǒng)中，電動機及其它帶有線圈的設(shè)備很多，這類設(shè)備除了從電源取一部分電功率外，還將耗用一部分電功率用來建立線圈磁場。這就額外地加了供電設(shè)備的負擔，功率因數(shù) （也稱力率）就是反映視在功率中有功功率所占的比例大小4。在供電系統(tǒng)中，希望是功率因數(shù)越大越好，即電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。負載功率因數(shù)的高低，對于電力系統(tǒng)供電設(shè)備的充分利用，有著顯著的影響。適當提高負載的功率因數(shù)，可以充分的發(fā)揮供配電設(shè)備的能力，減少線

7、損，改善電壓質(zhì)量，進而可以提高供配電設(shè)備的工作效率。電力系統(tǒng)中，不但有功功率平衡，無功功率也要平衡。有功功率、無功功率、視在功率之間的關(guān)系如圖2.1。 圖2.1 功率三角圖則有：             （ 叫視在功率； 叫有功功率； 叫無功功率）              &#

8、160;（2.1）理論公式上，有功功率表達式中的 中的 為功率因數(shù)，功率因數(shù)小于或等于1，功率因數(shù)的大小說明有功功率在視在功率的比例。功率因數(shù)決定于電路端電壓和電流之間的相位差。 小于1 電路中就發(fā)生能量互換出現(xiàn)無功功率 ,所以在計算過程中， ，（ 稱為有功功率 ， 稱無功功率 ， 稱為視在功率 在實際中，可用電能值代替相應的功率5。2.1提高負載的功率因數(shù)是提高經(jīng)濟效益的方法之一提高功率因數(shù)常用的方法就是在保證負載功率不變的情況下，采用無功補償來減小無功功率，從而提高功率因

9、數(shù)。功率因數(shù)是供用電系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟指標，功率因數(shù)的高低關(guān)系到輸配電線路、設(shè)備的供電能力，也影響到其功率損耗。用電設(shè)備在消耗有功功率的同時，還需一定的無功功率由電源送往負荷，功率因數(shù)反映的是用電設(shè)備在消耗一定的有功功率的同時所需的無功功率。比如對于居民用電負荷來說，其特點是主要由一些家用電器及照明負載構(gòu)成，其中大部分用電設(shè)備為感性負載，導致其功率因數(shù)都很低，影響了線路及配電變壓器的經(jīng)濟運行。只有通過合理配置無功功率補償設(shè)備，提高系統(tǒng)（容性負載對感性負載的并聯(lián)無功補償）的功率因數(shù)，才能達到降低損耗的目的，得到經(jīng)濟利益。為了提高功率因數(shù)，必須增加無功功率補償設(shè)備以減少無功功率。由于靜電電容器

10、具有重量輕，安裝方便，投資少，故障范圍小，有功功率損耗小，易于維護，能實現(xiàn)自動投切控制等優(yōu)點。例如，電機并入電容,產(chǎn)生容性無功 ,可以補償感性無功。當 時，功率因數(shù) （ 表示視在功率），即從電力系統(tǒng)吸收的無功功率等于06。好多電器都涉及到功率因數(shù)的問題，比如電冰箱，它的功率因數(shù)高固然好，但那并不意味著它一定省電，因為還得考慮輸入的電在其它方面的損耗，例如電能轉(zhuǎn)化為其它無用的形式的功的能量。我們將從提高功率因數(shù)的物理意義和實際意義來說明1。2.2提高功率因數(shù)的物理意義當電源的視在功率一定時， 越大，用電器中有功功率與無功功率的比就越高，用于轉(zhuǎn)換為

11、其它形式能量的電能就越多，電能所發(fā)揮的效能就越大。由于有功率因數(shù)的存在，傳輸 的電功率，要求電路中通過 的電流就夠了，  越大，傳輸線上通過的電流就越遠離于 ，傳輸線的焦耳損耗就越大，這樣就增加了傳輸線的能量損耗7。提高功率因數(shù)，可以減小電流，可以減小輸電線和電源內(nèi)阻上的電勢降落，從而可以保證用戶電器得到一定的電壓。功率因數(shù) 限制了供電設(shè)備所能輸出的實際電功率：供電設(shè)備的容量 是一定的，而它輸出的實際功率為 ，可見 越大，供電設(shè)備實際輸出的有功功率就越小。2.3提高功率因數(shù)的實際意義對于電力系統(tǒng)中的供電部

12、分，提供電能的發(fā)電機是按要求的額定電壓和額定電流設(shè)計的，發(fā)電機長期運行中，電壓和電流都不能超過額定值，否則會縮短其使用壽命，甚至損壞發(fā)電機。這意味著當其接入負載為電阻時，理論上發(fā)電機得到完全的利用，因為 中的 ；但是當負載為感性或容性時， ,發(fā)電機就得不到充分利用。為了最大程度利用發(fā)電機的容量，就必須提高其功率因數(shù)。對于電力系統(tǒng)中的輸電部分，輸電線上的損耗： ，負載吸收的平均功率：  ，因為 ，所以 （ 是負載端電壓的有效值）。由以上各式可以看出，在 和 都不變的情況下，提高功率因數(shù)&

13、#160;會降低輸電線上的功率損耗！在實際中，提高功率因數(shù)意味著8：（1）提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，這就有利于安全生產(chǎn)。（2）可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，增加電站的經(jīng)濟效益。例如：當 時的損耗是 時的4倍。（3）能提高有功功率與視在功率中的比值，充分提高電能的利用率。（4）可減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率。（5）因發(fā)電機的發(fā)電容量的限定，當提高 也就使發(fā)電機發(fā)出有功功率無功功率比值較高。2.4本章小結(jié)在實際用電過程中，提高負載的功率因數(shù)是最有效地提高電力資源利用率的方式。在現(xiàn)今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開發(fā)新能源外，更

14、好利用現(xiàn)有資源是我們解決燃眉之急的唯一辦法，而對于目前人類所大量使用和無比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是非常重要的。3.無功補償有那幾種方法在交流電路中，純電阻電路中的電流與電壓同相位，純電感負載中的電流滯后于電壓90o，而純電容的電流則超前于電壓90o。電容中的電流與電感中的電流相差180o，能相互補償。在后面我們將對單獨的各種電路（電感電路中電容的并或串聯(lián)補償；電容電路中電感的串聯(lián)或并聯(lián)補償）作了簡單的介紹。在這里我們主要介紹在交流電路中的感性負載與容性負載怎么補償。就是用容性負載無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少甚至消除感性負載與電源之間原有的能量交換。本文主要講的就是在感性負載中

15、串聯(lián)或并聯(lián)容性負載對無功功率的補償，電力系統(tǒng)中的負載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個角度，將電容器與負載并聯(lián)或串聯(lián)，使容性負載與感性負載相互的補償。一般多采用電容器補償無功，即在感性負載上串聯(lián)或并聯(lián)容性負載，其理論解釋是：電容的一部分電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)將提高。再就是在容性負載中串聯(lián)或并聯(lián)感性負載補償。在我們?nèi)粘Ｉ钪泻苌僖姷降娜菪噪娐?，應該怎么補償也是本文要講述的。3.1提高自然功率因數(shù)9(1) 恰當選擇負載的大小，減少負載無功消耗。 (2) 避免電機或設(shè)備空載運行。(3) 合理配置變壓器，恰當?shù)剡x擇其容量。(4

16、) 改善配電線路布局，避免曲折迂回等。3.2在感性負載上串聯(lián)電容補償在日常生活中，感性負載有很多的。那么我們用串聯(lián)容性負載做無功補償是不是可行的？設(shè)負載原有功率因數(shù)為 ，現(xiàn)要達到的功率因數(shù)為 ，則電路中所需要串聯(lián)的電容 的大小為多少，可從下面的推導得出。串聯(lián)電容器后負載所消耗的有功功率不變，負載的電壓不變10。        圖3.1 RL電路           &

17、#160;                       圖3.2 RL阻抗三角    未加串聯(lián)電容做無功補償時的線路阻抗為：                 &

18、#160;                 （3.1）從上面的向量圖我們可以知道：                         （3.2）   &

19、#160;        圖3.3  RLC串聯(lián)電路點                                圖3.4 RLC阻抗三角     

20、;          加串聯(lián)電容做無功補償時的線路阻抗為：                                 （3.3）   

21、（3.4）則有：                                     （3.5）           

22、;                     （3.6）                     （3.7）當 時：    

23、0;                （3.8）                                 

24、;   （3.9）                                     （3.10）        

25、                          （3.11）討論：當 時，負載的功率因數(shù)不變，但電路由感性變?yōu)槿菪?。?#160;時，負載的功率因數(shù)降低，電路由感性變?yōu)槿菪浴?#160;當 時，負載的功率因數(shù)提高，電路一直是容性電路。 由上面的式子我們可以看出：當頻率 增大時，所需要的電容值將減

26、小。當電源 增大時，所需要的電容值不變。在上面討論的電路中，為了保證負載的功率不變，一般應改變輸入電壓。在具有電感和電容元件的電路中，電路兩端的電壓與其中的電流一般是不同相的。如果我們調(diào)節(jié)電路的參數(shù)或電源的頻率而使它們同相，這時電路中就發(fā)生諧振相像。如 電路中，當 時，則                         

27、;   （3.12）即電源電壓 與電路中的電流 同相。這時電路中就發(fā)生了串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振在電力傳輸中有很多危害的。結(jié)論：在感性負載中串聯(lián)電容無功補償所需的電容值，與電源的頻率有關(guān)，與電源的電壓無關(guān)，與電路中電流無關(guān)。在電力工程中一般應避免發(fā)生串聯(lián)諧振。雖然在輸電線路中，電容的串聯(lián)補償，能提高線路輸送能力，但是串聯(lián)電容補償是在線路上串聯(lián)接入電容器，利用串聯(lián)電容組形成集中性容抗補償線路上分散性感抗。這樣功率因數(shù)雖然提高了，但線路中的總電阻減小，導致電路中電流增大，線路中的損耗增加。另外電網(wǎng)運行條件多變，對在許多簡化假設(shè)之上的等值系統(tǒng)進行理論計算，

28、很難準確計算電網(wǎng)的次同步諧振頻率,但因串聯(lián)線路輸電距離長，路經(jīng)的地形環(huán)境復雜，發(fā)生故障是不可避免的。所以串聯(lián)電容不是最好的補償方法。                                       

29、                                                  

30、                                                  

31、                                                  

32、                                                  

33、                                                  

34、                                                  

35、                                                  

36、                                                  

37、                                                  

38、                                                  

39、                                                  

40、                                                  

41、                                            3.3在感性負載上并聯(lián)電容補償公式 可知，當電源 和

42、負載輸送所需有功功率 不變的條件下，功率因數(shù) 值越小（即 角越大），則電路上通的電流 就越大。由于輸電線路總是具有一定的電阻，較大電流通過時，產(chǎn)生的熱功率損耗也就越大。所以，要想法提高功率因數(shù)來減小電流。設(shè)負載原有功率因數(shù)為 ，現(xiàn)要達到的功率因數(shù)為 ，則負載需要并聯(lián)做無功補償?shù)碾娙?#160;大小的計算式，可從下面的推導得出1。以電壓 為正弦參考量并聯(lián)電容器后負載所消耗的有功功率不變，負載的電壓不變11。設(shè)負載原有功率因數(shù)為 ，現(xiàn)要達到的功率因數(shù)為 。 圖3.5 感性電路并聯(lián)電容補償電

43、路               圖3.6 RL并聯(lián)C補償中電壓與電流的矢量圖             為沒有并聯(lián)電容前電流：                &#

44、160;                     （3.13） 為并聯(lián)電容后的電流：                        

45、0;              （3.14）由上圖可得：                                （3.15）

46、0;                                   （3.16）由于：             &

47、#160;                   （3.17）所以：                            

48、0;   （3.18）所需并聯(lián)電容的計算式為：                                  （3.19）        

49、0;                         （3.20）                       

50、0;                                  （3.21）討論：由上面的式子我們可以看出：當 時，提高的功率因數(shù)小于 。當 時，提高的功率因數(shù)大于 。當頻率 增大時，所需要補償?shù)碾娙葜?/p>

51、將減小。當電源 增大時，所需要補償?shù)碾娙葜挡蛔?。在并?lián)電容來做無功補償?shù)臅r候，不是將電容直接并在電源的兩端就可以的，應該考慮電容器耐壓值。如果直接將電容器并聯(lián)在電源上，有時可能將電容擊穿，這時可以串聯(lián)一個恰當阻值的電阻13。結(jié)論:感性負載中用容性負載并聯(lián)做無功補償，電容的大小與電源的頻率有關(guān)，與電源的電壓無關(guān)，與電路中電流無關(guān)。在感性負載上并聯(lián)容性負載的方法可用電容器的無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少甚至消除感性負載與電源之間原有的能量交換。3.4在容性負載上串聯(lián)電感補償設(shè)負載原有功率因數(shù)為 ，現(xiàn)要達到的功率因數(shù)為 ，則負載所需要串聯(lián)的電感 的

52、計算式，可從下面的推導得出。                   圖3.7 RC電路                           &

53、#160;         圖3.8 RC阻抗三角設(shè)負載所消耗的有功功率不變，負載的電壓不變。未加電感時的線路阻抗為：                                

54、0;   （3.22）從上面的向量圖我們可以知道：                                  （3.23）        &#

55、160;                        （3.24）                        &#

56、160;       （3.25）         圖3.9  RLC串聯(lián)電路                         圖3.10  RLC阻抗三角加入電容后線路

57、阻抗為：                               （3.26）                 &#

58、160;          （3.27）                           （3.28）          &#

59、160;                       （3.29）則有：                         

60、;（3.30）                             （3.31）                   

61、;              （3.32）                                （3.33）  

62、;                              （3.34）                   

63、;        （3.35）討論：由上面的式子我們可以看出：當 時，功率因數(shù)低于 。當 時，功率因數(shù)大于 。當頻率 增大時，所需要補償?shù)碾姼兄祵p小。    當電源 增大時，所需要補償?shù)碾姼兄挡蛔?。在上面討論的電路中，為了保證負載的功率不變，一般應改變輸入電壓。當在接入電感 時，要考慮電感是不是能承受所加載的電壓，如果不考慮這個因素，只管接入電感大小，有可能將電感損壞。在接入電感的時候，在電感的這條支路上

64、串聯(lián)一個電阻就不容易將電感損壞了。在具有電感和電容元件的電路中，電路兩端的電壓與其中的電流一般是不同相的。如果我們調(diào)節(jié)電路的參數(shù)或電源的頻率而使它們同相，這時電路中就發(fā)生諧振相像。在 電路中，當 時，則1                               （3

65、.36）即電源電壓 與電路中的電流 同相。這時電路中就發(fā)生了串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振有很多危害的12。結(jié)論：無功補償與電源的頻率有關(guān)，與電源的電壓無關(guān)，與電路中電流無關(guān)。在電力工程中一般應避免發(fā)生串聯(lián)諧振。雖然在容性電路中，電感的串聯(lián)補償，能提高線路輸送能力，但是串聯(lián)電感補償是在線路上串聯(lián)接入電感器，利用串聯(lián)電感組形成集中性感抗補償線路上分散性容抗。以提高線路末端的電壓水平，減少網(wǎng)絡(luò)的功率損失，提高輸送能力。但是電網(wǎng)運行條件多變，對在許多簡化假設(shè)之上的等值系統(tǒng)進行理論計算，很難準確計算電網(wǎng)的次同步諧振頻率,但因串聯(lián)線路輸電距離長，路經(jīng)的地形環(huán)境復雜，發(fā)生故障是不可避免的。所以串聯(lián)

66、電感不是最好的補償方法。3.5在容性負載上并聯(lián)電感補償設(shè)負載原有功率因數(shù)為也，現(xiàn)要達到的功率因數(shù)為 ，則負載所需要并聯(lián)的電感L的計算式，可從下面的推導得出。設(shè)負載所消耗的有功功率不變，負載的電壓不變。        圖3.11 容性電路并聯(lián)電感補償                    圖3.12&

67、#160; RC并聯(lián)L補償中電壓與電流的矢量圖                           以電壓 為正弦參考量                

68、0;           （3.37） 為沒有并聯(lián)電容前電流：                                 （3.38） 

69、;為并聯(lián)電容后的電流：                                                &

70、#160;               （3.39）由上圖可得：                             （3.40）  &

71、#160;                           （3.41）由于：                    

72、0;               （3.42）                              （3.43）所需并聯(lián)電感的計算式為：

73、0;                           （3.44）                     

74、0;         （3.45）                              （3.46）        

75、0;                              （3.47）討論：由上面的式子我們可以看出：當 時，功率因數(shù)大于 。  當 時，功率因數(shù)低于 。當頻率 增大時，所需要補償?shù)碾姼兄祵p小。當電源 增大時，所

76、需要補償?shù)碾姼兄挡蛔?。在并?lián)電感來做無功補償?shù)臅r候，不是將電感直接并在電源的兩端就可以的，應該考慮電感器耐壓值。如果直接將電感器并聯(lián)在電源上，有時可能將電感損壞，這時可以串聯(lián)一個恰當阻值的電阻13。結(jié)論:容感性負載中用感性負載并聯(lián)做無功補償，電感的大小與電源的頻率有關(guān)，與電路中電流無關(guān)。在容性負載上并聯(lián)感容性負載的方法可用電感器的無功功率來補償容性負載的無功功率，從而減少甚至消除容性負載與電源之間原有的能量交換。當在接入電感 時，要考慮電感在與負載并聯(lián)時所加載的電壓，如果不考慮這個因素，只管接入電感量大小來提高功率因數(shù)，有可能將電感損壞。在接入電感的時候在電感的這條支路上串聯(lián)一個電阻

77、就不容易將電感損壞了。3.6當元件的參數(shù)不變而電源頻率的變化對功率因數(shù)的影響（1）在 電路中從公式 中可以得出：                                   （3.48）從上面的式子我們可以得出：當元件的參

78、數(shù)不變，電源的頻率增高時，功率因數(shù)一定減小。當元件的參數(shù)不變，電源的頻率降低時，功率因數(shù)一定增加。（2）在 電路中從公式 中可以得出：                                 （3.49）從上面的式子我們可以得出：當元件參數(shù)不變，電源的頻率增高時，功率因