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220kV无功补偿原理及应用要点分析

摘要：有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率，无功功率比较抽象，它是用于电路与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维护磁场的电功率，它不对外做功，而是转变为其他形式的能量。我场风电机组使用的是异步发电机，发电机工作过程中需要外界吸收励磁电流，也就是上面所说的无功功率。SVC系统的运行维护，电容器、电抗器、隔离开关、阀组室的运行维护，及SVC系统的日常异常及事故处理。
一.无功补偿简介
在交流电路中，有电源供给负载的功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或拖拉机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，工人们生活和工作照明，有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）.
无功功率比较抽象，它是用于电路与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维护磁场的电功率，它不对外做功，而是转变为其他形式的能量，凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也消耗一部分有功功率）来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被叫无功。无功功率的符号用Q表示。单位用乏（Var）或千乏（kVar）。
二.无功补偿的种类
1.集中补偿
在高低压配电所内设置若干电容器，电容器接在配电母线上，补偿母线供电范围内的无功功率。例如升压站内10千伏或35千伏母线上接的电容器。
2.单独就地补偿
将电容器装于箱内，放置在电动机或发电机附近，对其进行单独的补偿。
补偿电容器的主要作用是通过补偿无功来提高用电设备的功率因数，有功电量消耗也不会有明显增加，但无功的消耗一定是明显降低的。例如风电机组就地的无功补偿装置。
三.无功补偿的原理
电网中的许多设备是根据电磁感应原理工作的。他们的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。有功功率、无功功率、视在功率的关系是直角三角形关系，视在功率是斜边，有功功率是临边，无功功率是对边，功率因数就是有功功率与视在功率的比值。有功率三角形可以看出在一定有功功率下，用电企业功率因数越小，则所需的无功功率就越大。如果无功功率不是有电容器提供，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。并做到随其符合和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。补偿的原理是：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交换，当电感吸收能量时，正好电容释放能量；电感释放能量时电容正好吸收能量，能量就在他们中间互相交换。即电感性负荷所需要的无功功率可以由电容器的无功输出得到补偿，因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置”。
四.SVC系统的应用和工作原理
1.SVC系统的应用
我站220kV母线目前接有6家风电场，目前装机容量为120万kW，6家风电场所选风机型号有同步发电机和异步发电机，发电机工作过程中需要外界吸收励磁电流，也就是上面所说的无功功率，即属于电感性设备，在转子高速旋转的过程中，发电机吸收无功功率使定子与转子之间产生磁场，定子线圈里产生感应电流开始发电。我场SVC系统主要就是维持我站母线电压。
在实际应用中，根据负荷变化的需要，电容器分组投入或切除，即使用开关设备如接触器分级的调节无功功率。
220千伏无功补偿装置目前采用整组投入，此种方法使用中不灵活，损耗大。因此开发动态无功补偿装置必将成为此领域的发展趋势。可控硅动态无功补偿装置SVC利用晶闸管可控硅的开关原理，瞬时地改变无功功率，用以补偿负载所需的无功。它的最大特点是可以连续的调节无功功率的输出，达到无冲击补偿。由于能实现无冲击补偿，可控硅动态无功补偿装置能避免普通电容器投切时所引起的系统谐振，提高电能质量。
2.SVC无功补偿的基本原理
SVC指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，SVC的补偿原理是通过控制晶闸管触发角，改变接入系统中的SVC等效电纳的大小，从而使SVC达到调节无功功率的目的。
当晶闸管全导通时，电感支路相当于一个纯电感，消耗最大无功功率。SVC系统输出最小无功功率。此时晶闸管的导通角为零。如果增大导通角,电感支路的电流就减小，此时电流呈现间断性。当电感支路为完全断开，电感支路吸收零无功，SVC补偿系统输出最大无功功率。这样，通过改变晶闸管的导通角就可以连续调节无功功率。
3.我站220kV母线电容器容量的确定
实际补偿过程中，电容器容量的选择是一个十分重要的问题，如果我们选择的容量过小，则起不到很好的补偿作用；如果容量过大，就会产生过补偿，将会引起变压器二次电压升高，导致电力线路及电容器自我的损耗增加。容量的选择主要是根据220kV母线负荷的实测数据情况和主变的功率损耗，按照负荷在主变容量的40%~85%范围内变化时，功率因数保持在0.97~0.99的设计目标进行计算。
我站电容器的补偿容量容量计算如下：
Qc=βav×qc×Pc
βav是平均负荷率，一般去0.7-0.8。
qc是电容补偿率（kVar/kW）,即每千瓦有功负荷需补偿的无功功率，通过无功功率补偿表查到。
Pc是变电所最大有功计算负荷。
例：我场母线按120万kW装机，最大有功负荷就按120万kW计算。
Pc=1200000kW，βav取0.8，qc通过无功功率补偿表查到0.071，即每千瓦补偿0.071千乏的无功。
所以我场无功补偿Qc=βav×qc×Pc=0.8×0.071×1200000=67200kVar
所我站220千伏母线无功补偿为67200kVar。
我站电容器额定容量为100000kVar，符合我站要求。同样我场风电机组的无功容量通过计算可以得到。
TCR既可控制容量输出，也可控制投切，而电容器的容量是固定投切的，是不可调的。各组电容器固定投入容性无功，相对系统的感性无功产生一定剩余的容性无功，而这部分剩余的无功则由TCR来动态补偿。主控制器根据系统电压电流算出实时无功，并通过无功调节角度来实现对系统无功的补偿。
TCR电抗器可控硅励磁调节单元采用水冷设计（即SVC水冷系统），冷却电源来自380V配电室。三相励磁单元由可控硅等诸多大功率器件组成，与电抗器本体等电势。就地控制柜主要是提供智能控制、脉冲调节功能。电容器组的每相串联一空心电抗器，起滤波、控制合闸涌流的作用。3组电容器分别与空心电抗器构成2、3、5次谐波滤波支路。电容器的主要作用是以无功补偿为主，以滤波为辅。
4.系统的运行方式
1）SVC系统正常运行方式：
当风电机组运行时，35kVTCR电抗支路，H2、H3、H5三组电容支路均投入运行SVC控制装置控制方式为投入自动，即TCR+H2+H3+H5运行。
SVC系统可允许的其它运行方式：
当风电机组运行时，35kVTCR电抗支路，H2、H3、三组电容支路均投入运行，SVC控制装置控制方式为投入自动，即TCR+H2+H3运行；当风电机组运行时，35kVTCR电抗支路，H2、H3、三组电容支路均投入运行，SVC控制装置控制方式为投入自动，即TCR+H2运行。
结束语
综上所述，有功功率、无功功率、视在功率的关系是直角三角形关系，视在功率是斜边，有功功率是临边，无功功率是对边，功率因数就是有功功率与视在功率的比值。有功率三角形可以看出在一定有功功率下，用电企业功率因数越小，则所需的无功功率就越大。
参考文献
[1]、思源清能动态无功补偿装置SVG用户手册

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