基于PLC的低压动态无功补偿控制系统SVG.doc

天津城市建设学院本科毕业设计说明书基于PLC的低压动态无功补偿控制系统(SVG) Control System of Low-voltage Dynamic Reactive Power Compensation Based on PLC学生姓名：苗延生学生学号：10761114专业名称：电气工程及其自动化指导教师：顾贵芬（讲师）控制与机械工程学院2023 年 6 月 8 日独创性声明本人声明所呈交的毕业设计是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其别人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业论文作者署名： 签字日期： 年 月 日毕业设计版权使用授权书本毕业设计作者完全了解学校有关保存、使用论文的规定。批准学校保存并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城市建设学院可以将本论文的所有或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（保密的毕业设计在解密后合用本授权说明）毕业设计作者署名： 指导教师署名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 日摘 要近年来，随着电力电子技术的发展，非线性负载的冲击性和不平衡性使电网的无功损耗增长，而电网中无功功率的传输会导致网络损耗以及受电端电压下降，大量的无功功率在电网中的传输使电能运用率大大减少且严重影响供电质量。因此在电网中装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。本文采用目前最先进的无功补偿技术，静止无功发生器（SVG）,对0.4KV低压侧电网进行动态无功补偿。本文一方面介绍了国内外当前的无功补偿技术，对无功补偿的原理进行了进一步的分析。在此基础上，设计出了基于PLC的低压动态无功补偿控制系统(SVG) 。在硬件方面，本文采用功率单元投切控制，与常见的直接交流电容控制方案相比较，投切的更准确，避免出现失误。在软件上，运用PLC编程控制，抗干扰能力更强，速度更快。遵循模块化设计的原则，提高了系统的通用性并易于以后的维护与升级。关键词：无功补偿；PLC；SVG；功率单元ABSTRACTIn recent years， along with the power electronic technology development， the nonlinear load balance and the impact that the reactive power loss increases， and the power of reactive power transmission will lead to network loss and step-down voltage， large Numbers of reactive power in the transmission grid to greatly reduce the energy utilization rate and the serious influence the quality of power supply. So in the power of reactive power compensation devices become meet the demand of the reactive power necessary means.Static var Generator, the most advanced dynamic reactive power compensation haven been used for the compensation on the 0.4KV low pressure side of the grid. in this paper. This article first introduces the current reactive power compensation of domestic and international, and does a in-depth analysis of the reactive power compensation principle. On this basis, a method have been designed used to control the reactive power compensation. In terms of hardware, reactive power switching control been adopted in this paper. Compared to power factor control scheme, switching control will be more accurately, and can to avoid mistakes. The software design adopts the PLC software programming to control. It is more accurate and higher accuracy than the normal single-chip control. We use the method of modularization which can improve the universal trait of the program and simplify the devices maintenance.Key words：reactive compensation；PLC；SVG；capacitance目 录第1章 概述11.1课题研究的背景11.2无功补偿研究及发展趋势11.3本文的研究目的与意义51.4开发设计方案51.5本文的重要工作6第2章 无功补偿的原理82.1无功补偿的概念82.2无功的分类82.3功率因数92.4无功补偿102.5无功补偿的作用102.6无功补偿的原理112.7电能的损耗122.8无功补偿的方式132.9 电网参数测量算法研究14第3章 硬件设计173.1硬件概述173.2 PLC和其扩展模块的选择173.2.1 PLC软件介绍173.2.2 模拟量扩展模块EM235的技术数据193.3检测电路设计233.3.1概述233.3.2相位的检测243.3.3电压模拟量的检测283.3.4电流模拟量的检测293.4 PLC控制电路设计303.4.1 PLC的输入输出端口分派303.4.2 PLC的的接线电路设计313.4.3 主电路设计33第4章 软件设计354.1 编程软件的介绍354.2 程序设计354.2.1 主程序354.2.2 数据采集子程序354.2.3 程序显示364.2.4 系统软件解决总的框图364.2.5 程序37第5章 实验与总结395.1实验平台395.2实验过程395.3总结与展望39致 谢41参考文献42第1章 概述1.1课题研究的背景近年来，随着社会经济的快速发展，现代电力工业取得了的发展，与此同时，电力电网中的无功功率越来越成为了人们不可忽视的问题。这是由于随着电力电子技术的飞速发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些消耗电能的设备在运营的时候不仅要消耗有功功率，并且还需要电网给他们提供无功功率，从而导致电网的功率因数偏低，从而导致：1增长发电机损耗；2影响电网系统电压，使电网电压下降；3影响电网的无功潮流分布；4无功功率增大导致电力增大，增长电力传输过程中的功率损耗；5使配电、输电和发电设施不能充足发挥作用，减少发电、输电的能力，使电网的供电质量变坏，严重时也许会使系统电压崩溃，导致大面积的停电。6电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大据有关报道，我国电网中平均每年由于无功功率过大导致的线损高达14%，折算成线损电量约为1300亿千瓦时。假设全国电力网总的负载功率因数是0.85，采用无功补偿装置将功率因数提高到0.96，那么每年可以减少电量损失为240亿千瓦时。所以在电网中对电力系统进行无功补偿，这对节约资源和电力系统的安全可靠的运营有着非常重大的意义。在此情况下，开发一种低压无功功率自动补偿控制器提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，减少能量损耗，提高电网中电压运营质量，投切电网中无功补偿装置，对提高供电质量，改善电网电压，保证电网安全运营都有着十分重要的意义。无功补偿的作用重要有以下几点:1提高供用电系统的功率因数，减少电网中的设备容量，减少无功功率损耗。2稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设立动态补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。3在电气化铁道中档三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。1.2无功补偿研究及发展趋势初期的无功补偿装置为并联电容器和同步调相机。同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电动机，可以依据电网需要调节同步电机的励磁，让他运转在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，故而同步调相机可以对系统进行动态补无功偿。但是它属于旋转设备，在运转过程中的噪声和损耗都非常大，运营维护困难，响应速度不快，且成本高，不能满足快速动态无功补偿的规定。并联电容器虽然简朴经济，方便，可是它的阻抗固定，难以跟踪负荷无功需求的变化，也就不能实现对无功功率的动态补偿。随着电力电子技术的飞速发展，这些年产生了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子器件向速度快、体积小、功率大进展，使得采用电力电子器件的无功补偿技术改变了电网中以前大部分只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局势，所以可认为交流输电网提供连续、高速和非常准确的控制能力。随着着电力电子器件的不断的发展，无功补偿控制器在其硬件和功能上也出现不同的发展时期。无功补偿控制器 已经由基于SCR的无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器、发展到基于GTO的静止无功发生器、静止同步串联补偿器、统一潮流控制器、可转换静止补偿器等。1静止无功补偿器(SVC)目前被多数电网公司应用的动态无功补偿装置是SVC静止无功补偿器。据不完全记录，全世界正在运作的这种设备已达成几千台，他们的总容量高达以上200Gvar以上。比较早的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，它是由英国GEC公司在1967年制成了全世界上第一个饱和电抗器型SVC。饱和电抗器与同步调相机相比，具有很多的有点，例如静止型，它的响应速度十分快，但因它的铁心需磁化达成饱和状态才可以运营，从而导致损耗和噪声都十分大。所以没有能在其他的国家占有静止无功补偿装置的主流。数年之后年美国GE公司初次在实际电力系统中运营了使用晶闸管的静补装置，1978年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入了实际运营，取得了成功。在这之后，世界许多电气公司都各自推出了各具特色的静止补偿装置的产品。由于使用晶闸管的SVC具有优良的功能，所以在这以后很数年晶闸管的SVC一直占据了静止无功补偿装置的重要地位。因此，SVC一般专指使用晶闸管的静补动态无功装置。SVC有以下几种形式：饱和电抗器型 （SR型SVC）晶闸管投切电容器型（TSC型SVC）、固定电-容晶闸管控制电抗器型（FC-TCR型SVC）、机械投切电容器-晶闸管控制电抗器型 （MCS-TCR型SVC） 以及晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器型（TSC-TCR型SVC）。2静止无功发生器(SVG) SVG又称STATCOM，即静止无功发生器或高级静止无功补偿器（ASVC），它是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用GTO构成的换相交流器分电压型和电流型桥式电路两种。由于电压型控制方便，损耗小，因此在实际应用中被广泛采用,通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位幅值或者直接调节其交流侧的电流进行无功功率的互换。与SVC相比，其调节速度更快，调节范围更宽，欠压条件下的无功调节能力更强，因此具有良好的补偿特性。与SVC相比，SVG具有以下7个优点:1）占地面积小。SVG占地面积是SVC1/5-1/3；2）调节速度快。SVC：2到3周期，速度过快容易产生谐振。STATCOM：12周波，不大于4毫秒。SVC里面的电力电子开关元件都是晶闸管，晶闸管在导通期间处在失控状态，使SVC每步补偿时间间隔至少约为工频的半个周期，而SVG采用GTO作为开关元件，GTO可在0.0015s的时间内被关断，所以它的补偿速度要快很多;3）SVC与SVG损耗的比较。100M SVC假如需要保持足够的动态无功输出量，正常时1000M 的可控电抗器（TCR）需运营在满载状态，按2的损耗计算，天天大约需2.4万度的电能，按0.5元/度计算，每年浪费约500万元，是相同容量SVG的2-3倍。假如TCR平时运营在空载或者轻载的时候，那么系统电压跌落时无法提供足够的动态无功支撑，它的作用只相称于一台小容量SVG。SVC和SVG的损耗比较见下表1-1。表1-1 SVC和SVG的损耗比较补偿容量SVG补偿组成SVC补偿组成SVG的损耗(万度/年)SVC的损耗(万度/年)SVGFCTCRFC最小0.02%平均最大0.33%最小0.06%平均最大1.0%2M2M0-2M+2M0.322.775.281.08.516.05M5M0-5M+5M0.86.9313.22.521.340.08M4M+4M-8M+8M1.2811.0821.124.034.064.010M5M+5M-10M+10M1.6013.8526.45.042.580.016M8M+8M-16M+16M2.5622.1642.248.058.0108.020M10M+10M-20M+20M3.2027.7052.810.085.0160.024M12M+12M-24M+24M3.8433.2463.3612.0102.0192.030M15M+15M-30M+30M4.8041.5539.6015.0127.5240.040M20M+20M-40M+40M6.4055.40105.620.0170.0320.050M25M+25M-50M+50M8.0069.30131.225.0212.5400.04）可以在从感性到容性的整个范围中进行连续无极的无功补偿调节；5）SVG主线不需很大容量的电感、电容等元件来储能，它的直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量远比SVC中使用的小的很多，所以可以很大空间的缩小设备的体积和成本；6）谐波含量小。SVG在采用多电平技术、多重化技术或PWM技术等技术方法，可以在很大限度上克制补偿电流中的谐波含量。7）性价比高。用输出100到1000Mvar的动态无功为例子：SSVC：50Mvar固定电容器50MVA 链式STATCOM：200/kvar左右;0100Mvar SVC：200元/kvar。在功率半导体器件价格的下降的基础上，SVG的价格有很大的下降空间。再考虑它和SVC同容量补偿效果的区别尚有运营、性能损耗的不同，SVG性价比更高。3统一潮流控制器(UPFC)将SVG中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器SSSC，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容祸合，就构成了统一潮流控制器UPFC，SVG与SSSC既可配合使用也可解祸独立运营。由于SVC，STAI，COM只能控制无功功率以调节系统电压，假如系统某一局部同时有多种规定，就需要在该处设立几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时设备的投资也相称可观。UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其它无功补偿装置相比，UPFC控制范围较大，控制方式更为灵活。统一潮流控制器的基本的概念是由美国西屋科技中心的Guygyi L在1992年的时候提出的，这被公认为是无功补偿装置中最具代表性的设备。世界上许还多国家也在开展这方面的研究。美国、法国都在加紧实际装置的研发，美国Inez变电站已在1998年的138kV系统上安装了UPFC。我国同时也开展了UPFC的研究工作，但大部分仅限于理论的研究方面和数字仿真研究。由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置SvC，SVG，UPFC及CSC目前一也处在这样一种发展情况。作为较早出现的无功补偿装置SVC，由于采用的是传统的半控型器件SCR，成本低，且技术成熟，因此是目前广泛使用的无功补偿装置。目前对SvC的研究重要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提。而SVG，UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高;另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术自身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以GTO等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步减少。国际大电网会议曾展开有关SVC与SVG的性价比的讨论，不少专家认为，由于SVG不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格数年来比较稳定，不也许大幅度下降;相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计SVG会比svc更有竞争力，由此可见，随着造价的减少和技术的完善，在不远的将来SVG，UPFC及CSC将成为无功补偿技术的发展方向。1.3本文的研究目的与意义供电系统常由于感性负载过重，导致感性无功过大，电能质量下降，功率因数过低。为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运营，常需在低压侧装设无功补偿装置。本文针对目前无功补偿控制器及相关技术进行了较为进一步的研究，在此基础上，采用西门子公司生产的S7-200PLC进行设计研发。通过对SVG的控制，达成减少电网无功功率，提高功率因数的目的。还可以减少母线电压损失，提高电网电压水平；补偿负序电流，减少负序电流对电网的破坏、对设备的损耗；减少母线电压损失，提高电网电压水平；这种技术可以用在起重机、轧钢、冶金、矿山、轨道交通等行业解决三相不平衡电压和电流。1.4开发设计方案本设计所依据的重要原始资料为：山西某煤矿变配电变压器6kV/400V、容量1600kVA一台，变压器的负载率在65%。左右，重要负载为交流电动机(感性负载)和部分变频器(谐波性负载)，总体的功率因数在0.70左右。为了提高功率因数，减少不必要的电费支出，根据电网参数，设计了一台自动投切的低压无功动态补偿装置，通过该装置投入使用，节能效果很好，减少了电费支出电压等级。功率因数提高到0.95以上。本文采用最先进的静止无功发生器研究方法，先用电压互感器和电流互感器，对电网中的电压电流进行测量，然后由互感器测得的电压和电流传送到模拟比较器中，再由模拟比较器对电压和电流的波形进行解决，转换成方波的形式，然后由PLC的A/D转换器，将模拟信号的波形输入到PLC当中。PLC对于输入的信号，取两个波形的起始点，进行计数，然后计算这两个数之间的时间差，根据电网的周期和频率，将时间差转换成相位差，这样就可以得到无功功率。PLC将检测到的无功功率和系统设定的无功功率进行比较，然后发出动作指令，投切电容。让无功功率始终保持在一个稳定的范围内。然后在实验台上通过模拟来实现所设计的内容。以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展, 但单片机抗干扰能力较差, 在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。另一方面电压等级越高的变电站其辐射范围也越大, 故障的波及面也大, 因此系统对它的控制能力、通信能力规定也更高。开发工具用的PLC是西门子的S7-200，S7-200系列在集散自动化系统中充足发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简朴控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域。它相对于单片机来说有很多优点，单片机系统的稳定性不是很高，并且受温度的影响大，有噪音等。可靠性高，抗干扰能力强，所有的I/O口均采用光电隔离，有效使内部电路与外部隔离，其各模块均采用屏蔽措施，采用性能良好的开关电源，具有良好的自诊断功能，在大型的PLC中采用双CPU或三CPU构成表决系统，是可靠性进一步提高。对于单片机最大的缺陷就是抗干扰的能力差，驱动能力差，需要很多外围设备来驱动，在工业控制中多采用PLC，此外单片机编程复杂，需要了解单片机的内部结构以及工作方式。开发系统的结构框图组成如下：图1-1 统的结构框图控制系统采用模块化设计。PLC控制系统的作用： 可以实时计算电网所需的无功功率，实现动态跟踪与补偿。并且实现SVG与控制中心的通讯及上位机的通讯。检测单元的作用：适时检测电网中的电压和电流，通过波形变换，传送到PLC当中，进行无功功率和功率因数的计算。功率单元的作用：SVG的核心主电路，用以实现功率变换。变压器的作用：将电网电压变为适合功率单元工作的电压。实现高压与低压的电气隔离，增长系统可靠性。控制柜的作用 柜式结构，用于对SVG及其辅助设备的实时控制。1.5本文的重要工作本文介绍的无功补偿装置整个系统运用PLC技术、IGBT技术、链式逆变器技术等来完毕。功率单元采用链式结构，多个两电平H桥电路串联起来，以达成电压叠加的目的。在0.4KV系统应用时，每相连接多个两电平逆变器模块。SVG由连接电抗器、逆变器组成，每相电路通过IGBT变流模块级联， 通过连接电抗器直接接入0.4KV电网。SVG一方面通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值，之后充电接触器闭合以短接充电电阻，充电过程结束，补偿装置并入电网开始工作；并网一段时后，将固定电容器投入，主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的无功电流，并生成逆变器所需的IGBT 驱动信号，控制逆变器产生与无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流，从而实现补偿无功的目的。所以本文的重要工作就是：1. 电网中的电压和电流进行实时的检测，这里重要用到的就是电压和电流互感器2. 对检测出来的电压和电流进行降压和改变波形。达成想要的状态。3. 将调整好的电压电流输入到PLC当中，通过在PLC中进行计算，与设定的值进行比较，然后输出到SVG系统，自动的对无功功率进行补偿。第2章 无功补偿的原理2.1无功补偿的概念无功功率：电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸取的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复互换，在三相之间流动，由于这种互换功率不对外做功，因此称为无功功率。从物理概念来解释感性无功功率：由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当线圈加上交流电压后，电压交变时，相应的磁场能量也随着变化。当电压增大，电流及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场能量就将外电源供应的能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到外面电路中。交流电感电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。从物理概念来解释容性无功功率：由于电容器是贮藏电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，相应的电场能量也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供应的能量以电场能量形式贮藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。2.2无功的分类感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90，如电动机、变压器、晶闸管变流设备等。容性无功：电流矢量超前于电压矢量90，如电容器、电缆输配电线路等。基波无功：与电源频率相等的无功（50HZ）。谐波无功：与电源频率不相等的无功。将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸取能量时，电容器释放能量;而电感放出能量时，电容器吸取能量。因此能量就只在它们之间互换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸取的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图2-1所示。图2-1 无功功率补偿示意图设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q2，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，使电源输出的无功功率减少为Q1=Q2一Qc，功率因数由cos a提高到cos a1，视在功率S减少到S1，如图2-1所示。视在功率的减少可相应减小供电线路的截面和减少变压器的容量，这样就能减少对电网设备的资金的投入。例如一台10000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.6时，可供6000千瓦的有功负荷;当负荷的功率因数提高到0.9时，可供9000千瓦的有功功率。同一台变压器，由于负荷的功率因数的提高而可多提供2023千瓦负荷给负荷设备用，这个数字是非常大的。2.3功率因数在实际供用电系统中或者电力负荷中并不是纯感性或纯容性的或者纯阻性的，而是里面既有电感或电容负载、又有电阻的负载。这种感性和阻性负载的电压和电流的相量之间存在着一些的相位差，相位角的余弦称为功率因数。它的值是有功功率与视在功率之比。三相功率因数的计算公式为： （式2-1）式中： 功率因数P有功功率，KW Q无功功率，Kvar S视在功率，KVA功率因数被分为加权平均功率因数、瞬时功率因数和三自然功率因数种形式。在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。非正弦电路的功率因数： P=UI Q=UI S=UI （式2-2）此时非正弦电路功率因数为： （式2-3） 式中：基波功率因数 基波电流 I总电流由上式可以看出：功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因素决定的。总电流可以当作由三个分量，基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。2.4无功补偿电力系统中，不仅有功功率要平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图图2-2 视在功率，有功功率和无功功率之间的关系由式cos=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cos越小，所需的有功功率越大。为满足用电的规定，供电线路和变压器的容量就需要增长。这样，不仅要增长供电投资、减少设备运用率，也将增长线路损耗。为了提高电网的经济运营效率，根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。2.5无功补偿的作用无功补偿的重要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。 1. 提高电压质量 把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir，则线路中的电压损失: （式2-4） 式中： P有功功率，KW Q无功功率，Kvar U额定电压，KV R线路总电阻， Xl线路感抗，因此，功率因数提高以后可以减少线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q减小，电压损失减少，从而提高了电压质量。 2. 提高变压器的运用率，减少设备方面的投资。功率因数由提高到提高变压器运用率为： （式2-5）由此可见，补偿后变压器的运用率比补偿前提高S%，可以带更多的负荷，减少了输变电设备的投资。 3. 提高电力网传输能力有功功率与视在功率的关系式为： P=S （式2-6）可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。2.6无功补偿的原理无功补偿的基本原理：电网输出的功率涉及两部分；一时有功功率，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，运用这些能作功，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可以作功的必备条件，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，电容器建立电场合占的电能。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。假如在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流互相抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小， 电力系统中网络元件的阻抗重要是感性的，需要容性无功来补偿感性无功。SRCL(b)向量图(欠补偿)(a)电路(c)向量图(过补偿)图2-3 无功功率原理图将电容并入RL电路之后，电路如图（a）所示。该电路电流方程为 （式2-7）由图（b）的向量图可知，并联电容后U与I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。其向量图如（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，由于这样会：1.引起变压器二次侧电压的升高；2.容性无功功率在电力线路上传输同样会增长电能损耗；3.假如供电线路电压因而升高，还会增大电容器自身的功率损耗，使温升增大，影响电容器使用寿命。2.7电能的损耗线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导体和变压器所产生的损耗，涉及变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网电压等因素有关，约占电网总损耗的80%85% 。我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为2%3%，而我国在2023年的线损记录为7.1%，所以线损的解决显得越来越重要。从前面的论述可知，线损与电力用户的功率因数的平方成反比，故提高功率因数是减少损耗的有效措施。装设并联补偿电容器可减少电网无功输出量。在用户或靠近用户的变电站装设自动投入的并联电容器，以平衡无功功率，限制无功功率在电网中传送，可减少电网的无功损耗，同时还可提高有功功率的输送量。2.8无功补偿的方式常用补偿的方法：一种是集中补偿(补偿电容集中安装于变电所或配电室， 便于集中管理)；一种是集中与分散补偿相结合补偿电容一部分安装于变电所，另一部分安装于感性负载较大的部门或车间。这种方法灵活机动，便于调节，且可减少公司内供、配电线路的损耗。配电网的无功补偿应遵循“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”的基本原则，按照变电站和配电台区集中补偿，用户就地分散补偿和配电线路分散补偿的原则，实现无功功率的分级平衡。1.变电站10kV母线集中补偿拟定变电站的集中补偿容量和投切控制方式应考虑以下重要因素：满足主变压器自身的无功损耗；就近向配电线路前段输送无功，以满足配电线路前段(变电站附近)的无功负荷；调压需要。关于集中补偿容量的拟定，对于110 kV及以下变电站集中补偿的容量按主变压器容量的10%30%配备为宜。其中对负荷集中的工业变电站按满足主变压器的励磁和漏抗无功功率的规定，无功补偿容量拟定为：QC为0.10.15倍主变压器额定容量；对负荷分散的农业负荷为主的变电站，无功补偿既要满足主变压器的无功损耗还要满足高峰负荷时无功负荷的需要，无功补偿容量拟定为：QC为0.20.3倍主变压器额定容量。根据负荷需求设计变电站的无功补偿容量，宜将补偿设备分为两组，运营中在保证电压合格和无功补偿效果最佳的情况下，应尽也许使电容器组投切开关的操作次数减少。2.配电10kV线路分散补偿线路补偿原则是通过在线路电杆上安装电容器实行单点或多点电容器补偿，单点补偿地点选在离线路首端2/3处，补偿的容量应为无功负荷的2/3，两点补偿分别装设在距首端2/5和4/5处。多点补偿是采用分支线分段补偿方式，对分支较大或线路较长负载自然功率因数低的线路进行补偿。根据农村实际状况，农网线路补偿的补偿点不宜过多；控制方式应从简；保护方式可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压简朴保护。拟定某一条配电线路的补偿容量，应根据该线路的平均无功负荷和最小无功负荷计算，当线路的最小无功负荷小于平均无功负荷的2/3时，考虑到无功不应倒送，可安装固定的补偿装置，但应按最小无功负荷拟定补偿容量。当线路中有较大无功负荷点时，除应考虑与线路始端的距离外，也应考虑大的无功负荷点。选择电容器时应考虑电容器的过电压能力，耐受短路放电能力、涌流，以及运营环境和电容器的有功损耗等因素。实际装设补偿装置每组以100200kvar为宜。3. 配电变压器低压补偿配网中存在大量公用变压器和用户专用配电变压器，配电变压器的无功补偿采用配电变压器低压侧无功补偿，重要补偿变压器自身的无功需求。用专用电容器柜或配电柜加装电容器组等方式对配电变压器进行补偿，实现无功就地平衡。无功补偿装置选择要考虑在轻负荷时防止无功倒送和取得最大节能效果的原