基于PLC的低压动态无功补偿控制系统SVG样本.doc

天津都市建设学院
本科毕业设计阐明书

基于PLC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
指引教师：
顾贵芬（讲师）

控制与机械工程学院
年 6 月 8 日独创性声明

本人声明所呈交毕业设计是本人在指引教师指引下进行研究工作和获得研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包括其她人已经刊登或撰写过研究成果，没有伪造数据行为。

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毕业设计作者签名： 指引教师签名：

签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 日

摘 要
近年来，随着电力电子技术发展，非线性负载冲击性和不平衡性使电网无功损耗增长，而电网中无功功率传播会导致网络损耗以及受电端电压下降，大量无功功率在电网中传播使电能运用率大大减少且严重影响供电质量。因而在电网中装设无功补偿装置成为满足电网无功需求必要手段。
本文采用当前最先进无功补偿技术，静止无功发生器（SVG）,对0.4KV低压侧电网进行动态无功补偿。本文一方面简介了国内外当前无功补偿技术，对无功补偿原理进行了进一步分析。在此基本上，设计出了基于PLC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，与常用直接交流电容控制方案相比较，投切更精确，避免浮现失误。在软件上，运用PLC编程控制，抗干扰能力更强，速度更快。遵循模块化设计原则，提高了系统通用性并易于后来维护与升级。
核心词：无功补偿；PLC；SVG；功率单元

ABSTRACT

In 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 device’s maintenance.
Key words：reactive compensation；PLC；SVG；capacitance

目 录
第1章 概述 1
1.1课题研究背景 1
1.2无功补偿研究及发展趋势 1
1.3本文研究目与意义 5
1.4开发设计方案 5
1.5本文重要工作 6
第2章 无功补偿原理 8
2.1无功补偿概念 8
2.2无功分类 8
2.3功率因数 9
2.4无功补偿 10
2.5无功补偿作用 10
2.6无功补偿原理 11
2.7电能损耗 12
2.8无功补偿方式 13
2.9 电网参数测量算法研究 14
第3章 硬件设计 17
3.1硬件概述 17
3.2 PLC和其扩展模块选取 17
3.2.1 PLC软件简介 17
3.2.2 模仿量扩展模块EM235技术数据 19
3.3检测电路设计 23
3.3.1概述 23
3.3.2相位检测 24
3.3.3电压模仿量检测 28
3.3.4电流模仿量检测 29
3.4 PLC控制电路设计 30
3.4.1 PLC输入输出端口分派 30
3.4.2 PLC接线电路设计 31
3.4.3 主电路设计 33
第4章 软件设计 35
4.1 编程软件简介 35
4.2 程序设计 35
4.2.1 主程序 35
4.2.2 数据采集子程序 35
4.2.3 程序显示 36
4.2.4 系统软件解决总框图 36
4.2.5 程序 37
第5章 实验与总结 39
5.1实验平台 39
5.2实验过程 39
5.3总结与展望 39
致 谢 41
参照文献 42

第1章 概述
1.1课题研究背景
近年来，随着社会经济迅速发展，当代电力工业获得了发展，与此同步，电力电网中无功功率越来越成为了人们不可忽视问题。这是由于随着电力电子技术飞速发展，电网中使用感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些消耗电能设备在运营时候不但要消耗有功功率，并且还需要电网给她们提供无功功率，从而导致电网功率因数偏低，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．影响电网无功潮流分布；
4．无功功率增大导致电力增大，增长电力传播过程中功率损耗；
5．使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，减少发电、输电能力，使电网供电质量变坏，严重时也许会使系统电压崩溃，导致大面积停电。
6．电网中电流与电压相位不同相，产生较为严重谐波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大
据关于报道，国内电网中平均每年由于无功功率过大导致线损高达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。因此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安全可靠运营有着非常重大意义。
在此状况下，开发一种低压无功功率自动补偿控制器提供必要无功功率，以提高系统功率因数，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，改进电网电压，保证电网安全运营均有着十分重要意义。
无功补偿作用重要有如下几点:
1．提高供用电系统功率因数，减少电网中设备容量，减少无功功率损耗。
2．稳定受电端及电网电压，提高供电质量。在长距离输电线中适本地点设立动态补偿装置还可以改进输电系统稳定性，提高输电能力。
3．在电气化铁道中档三相负载不平衡场合，通过恰当无功补偿可以平衡三相有功及无功负载。
1.2无功补偿研究及发展趋势
初期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同步电动机，可以根据电网需要调节同步电机励磁，让她运转在过励磁或欠励磁状态下，从而发出大小不同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，不能满足迅速动态无功补偿规定。并联电容器虽然简朴经济，以便，可是它阻抗固定，难以跟踪负荷无功需求变化，也就不能实现对无功功率动态补偿。
随着电力电子技术飞速发展，这些年产生了各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无功补偿技术变化了电网中此前大某些只依托机械型、慢速、间断及不精准控制局势，因此可觉得交流输电网提供持续、高速和非常精确控制能力。随着着电力电子器件不断发展，无功补偿控制器在其硬件和功能上也浮现不同发展时期。无功补偿控制器 已经由基于SCR无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器、发展到基于GTO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)
当前被多数电网公司应用动态无功补偿装置是SVC静止无功补偿器。据不完全记录，全世界正在运作这种设备已达到几千台，她们总容量高达以上200Gvar以上。
比较早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种饱和电抗器型SVC。饱和电抗器与同步调相机相比，具备诸多有点，例如静止型，它响应速度十分快，但因它铁心需磁化达到饱和状态才可以运营，从而导致损耗和噪声都十分大。因此没有能在其她国家占有静止无功补偿装置主流。近年之后年美国GE公司初次在实际电力系统中运营了使用晶闸管静补装置，1978年美国西屋公司制造使用晶闸管静补装置投入了实际运营，获得了成功。在这之后，世界许多电气公司都各自推出了各具特色静止补偿装置产品。由于使用晶闸管SVC具备优良功能，因此在这后来诸近年晶闸管SVC始终占据了静止无功补偿装置重要地位。因而，SVC普通专指使用晶闸管静补动态无功装置。
SVC有如下几种形式：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档静止无功补偿器（ASVC），它是基于瞬时无功功率概念和补偿原理采用GTO构成换相交流器分电压型和电流型桥式电路两种。由于电压型控制以便，损耗小，因而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相位幅值或者直接调节其交流侧电流进行无功功率互换。与SVC相比，其调节速度更快，调节范畴更宽，欠压条件下无功调节能力更强，因而具备良好补偿特性。
与SVC相比，SVG具备如下7个长处:
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：1～2周波，不不不大于4毫秒。SVC里面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半个周期，而SVG采用GTO作为开关元件，GTO可在0.0015s时间内被关断，因此它补偿速度要快诸多;
3）SVC与SVG损耗比较。100M SVC如果需要保持足够动态无功输出量，正常时1000M 可控电抗器（TCR）需运营在满载状态，按2％损耗计算，每天大概需2.4万度电能，按0.5元/度计算，每年挥霍约500万元，是相似容量SVG2-3倍。如果TCR平时运营在空载或者轻载时候，那么系统电压跌落时无法提供足够动态无功支撑，它作用只相称于一台小容量SVG。SVC和SVG损耗比较见下表1-1。

表1-1 SVC和SVG损耗比较
补偿容量
SVG补偿构成
SVC补偿构成
SVG损耗(万度/年)
SVC损耗(万度/年)
SVG
FC
TCR
FC
最小0.02%
平均
最大0.33%
最小
0.06%
平均
最大1.0%
2M
±2M
0
-2M
+2M
0.32
2.77
5.28
1.0
8.5
16.0
5M
±5M
0
-5M
+5M
0.8
6.93
13.2
2.5
21.3
40.0
8M
±4M
+4M
-8M
+8M
1.28
11.08
21.12
4.0
34.0
64.0
10M
±5M
+5M
-10M
+10M
1.60
13.85
26.4
5.0
42.5
80.0
16M
±8M
+8M
-16M
+16M
2.56
22.16
42.24
8.0
58.0
108.0
20M
±10M
+10M
-20M
+20M
3.20
27.70
52.8
10.0
85.0
160.0
24M
±12M
+12M
-24M
+24M
3.84
33.24
63.36
12.0
102.0
192.0
30M
±15M
+15M

-30M
+30M
4.80
41.55
39.60
15.0
127.5
240.0
40M
±20M
+20M
-40M
+40M
6.40
55.40
105.6
20.0
170.0
320.0
50M
±25M
+25M
-50M
+50M
8.00
69.30
131.2
25.0
212.5
400.0

4）可以在从感性到容性整个范畴中进行持续无极无功补偿调节；
5）SVG主线不需很大容量电感、电容等元件来储能，它直流侧所使用电抗器和电容元件容量远比SVC中使用小诸多，因此可以很大空间缩小设备体积和成本；
6）谐波含量小。SVG在采用多电平技术、多重化技术或PWM技术等技术办法，可以在很大限度上抑制补偿电流中谐波含量。
7）性价比高。用输出100到1000Mvar动态无功为例子：SSVC：50Mvar固定电容器＋50MVA 链式STATCOM：200/kvar左右;0－100Mvar SVC：200元/kvar。在功率半导体器件价格下降基本上，SVG价格有很大下降空间。再考虑它和SVC同容量补偿效果区别尚有运营、性能损耗不同，SVG性价比更高。
3．统一潮流控制器(UPFC)
将SVG中与电网并联电压器改为与电网串联变压器，就成为静止同步串联补偿器SSSC，它能实现对线路潮流迅速控制。把一台SVG与一台SSSC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，如果系统某一局部同步有各种规定，就需要在该处设立几种装置。这增大了安装、调试工作量，同步设备投资也相称可观。UPFC基本思想正是用一种统一电力电子控制装置，仅通过控制规律变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同步进行控制，从而能分别或同步实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同功能，与其他无功补偿装置相比，UPFC控制范畴较大，控制方式更为灵活。
统一潮流控制器基本概念是由美国西屋科技中心Guygyi L在1992年时候提出，这被公以为是无功补偿装置中最具代表性设备。世界上许还多国家也在开展这方面研究。美国、法国都在加快实际装置研发，美国Inez变电站已在1998年138kV系统上安装了UPFC。国内同步也开展了UPFC研究工作，但大某些仅限于理论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，某些新装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中新旧装置浮现并存发展局面，无功补偿控制器中无功补偿装置SvC，SVG，UPFC及CSC当前一也处在这样一种发展状况。
作为较早浮现无功补偿装置SVC，由于采用是老式半控型器件SCR，成本低，且技术成熟，因而是当前广泛使用无功补偿装置。当前对SvC研究重要集中在控制方略上。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系统性能更加提。
而SVG，UPFC及CSC当前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，而全控器件当前价格非常昂贵，使得当前该类无功补偿装置工程造价比SVC高;另一方面，此类无功补偿装置技术还不完善，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，将来功率器件开关容量会逐渐增大，价格则相应下降，此类以GTO等新型全控器件为核心无功补偿装置造价会逐渐减少。国际大电网会议曾展开关于SVC与SVG性价比讨论，不少专家以为，由于SVG不需采用大量电容器就可以实现无功迅速调节，而电容器价格近年来比较稳定，不也许大幅度下降;相反，电力电子器件价格会不断下降，故预测SVG会比svc更有竞争力，由此可见，随着造价减少和技术完善，在不远将来SVG，UPFC及CSC将成为无功补偿技术发展方向。
1.3本文研究目与意义
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。
本文针对当前无功补偿控制器及有关技术进行了较为进一步研究，在此基本上，采用西门子公司生产S7-200PLC进行设计研发。通过对SVG控制，达到减少电网无功功率，提高功率因数目。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破坏、对设备损耗；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
本设计所根据重要原始资料为：
山西某煤矿变配电变压器6kV/400V、容量1600kV•A一台，变压器负载率在65%。左右，重要负载为交流电动机(感性负载)和某些变频器(谐波性负载)，总体功率因数在0.70左右。为了提高功率因数，减少不必要电费支出，依照电网参数，设计了一台自动投切低压无功动态补偿装置，通过该装置投入使用，节能效果较好，减少了电费支出电压级别。功率因数提高到0.95以上。
本文采用最先进静止无功发生器研究办法，先用电压互感器和电流互感器，对电网中电压电流进行测量，然后由互感器测得电压和电流传送到模仿比较器中，再由模仿比较器对电压和电流波形进行解决，转换成方波形式，然后由PLCA/D转换器，将模仿信号波形输入到PLC当中。PLC对于输入信号，取两个波形起始点，进行计数，然后计算这两个数之间时间差，依照电网周期和频率，将时间差转换成相位差，这样就可以得到无功功率。PLC将检测到无功功率和系统设定无功功率进行比较，然后发出动作指令，投切电容。让无功功率始终保持在一种稳定范畴内。然后在实验台上通过模仿来实现所设计内容。
以单片机为主控单元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、高压无功补偿领域可靠性不易保证。另一方面电压级别越高变电站其辐射范畴也越大，故障波及面也大，因而系统对它控制能力、通信能力规定也更高。开发工具用PLC是西门子S7-200，S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范畴可覆盖从代替继电器简朴控制到更复杂自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制关于工业及民用领域。它相对于单片机来说有诸多长处，单片机系统稳定性不是很高，并且受温度影响大，有噪音等。可靠性高，抗干扰能力强，所有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办法，采用性能良好开关电源，具备良好自诊断功能，在大型PLC中采用双CPU或三CPU构成表决系统，是可靠性进一步提高。对于单片机最大缺陷就是抗干扰能力差，驱动能力差，需要诸多外围设备来驱动，在工业控制中多采用PLC，此外单片机编程复杂，需要理解单片机内部构造以及工作方式。
开发系统构造框图构成如下：

图1-1 统构造框图

控制系统采用模块化设计。
PLC控制系统作用： 可以实时计算电网所需无功功率，实现动态跟踪与补偿。并且实现SVG与控制中心通讯及上位机通讯。
检测单元作用：适时检测电网中电压和电流，通过波形变换，传送到PLC当中，进行无功功率和功率因数计算。
功率单元作用：SVG核心主电路，用以实现功率变换。
变压器作用：将电网电压变为适合功率单元工作电压。实现高压与低压电气隔离，增长系统可靠性。
控制柜作用 柜式构造，用于对SVG及其辅助设备实时控制。
1.5本文重要工作
本文简介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。功率单元采用链式构造，各种两电平H桥电路串联起来，以达到电压叠加目。在0.4KV系统应用时，每相连接各种两电平逆变器模块。SVG由连接电抗器、逆变器构成，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，主控制器依照母线侧电压、电流信号计算得出需补偿无功电流，并生成逆变器所需IGBT 驱动信号，控制逆变器产生与无功电流幅值相等、相位相反补偿电流，从而实现补偿无功目。
因此本文重要工作就是：
1. 电网中电压和电流进行实时检测，这里重要用到就是电压和电流互感器
2. 对检测出来电压和电流进行降压和变化波形。达到想要状态。
3. 将调节好电压电流输入到PLC当中，通过在PLC中进行计算，与设定值进行比较，然后输出到SVG系统，自动对无功功率进行补偿。

第2章 无功补偿原理
2.1无功补偿概念
无功功率：电网中电力设备大多是依照电磁感应原理工作，她们在能量转换过程中建立交变磁场，在一种周期内吸取功率和释放功率相等。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，因而称为无功功率。
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元件，当线圈加上交流电压后，电压交变时，相应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，此时线圈磁场能量就将外电源供应能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减小和磁场能量削弱时，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元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，相应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，此时电容器电场能量就将外电源供应能量以电场能量形式贮藏起来；当电压减小和电场能量削弱时，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往复转换。
2.2无功分类
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：与电源频率相等无功（50HZ）。
谐波无功：与电源频率不相等无功。
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。因而能量就只在它们之间互换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸取无功功率，可由电容器所输出无功功率中得到补偿。因而把由电容器构成装置称为无功补偿装置。无功补偿作用和原理如图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。
视在功率减少可相应减小供电线路截面和减少变压器容量，这样就能减少对电网设备资金投入。例如一台10000千伏安变压器，当负荷功率因数为0.6时，可供6000千瓦有功负荷;当负荷功率因数提高到0.9时，可供9000千瓦有功功率。同一台变压器，由于负荷功率因数提高而可多提供千瓦负荷给负荷设备用，这个数字是非常大。
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或者纯阻性，而是里面既有电感或电容负载、又有电阻负载。这种感性和阻性负载电压和电流相量之间存在着某些相位差，相位角余弦称为功率因数。它值是有功功率与视在功率之比。
三相功率因数计算公式为：
（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，功率因数也相似。那么三相电路总功率因数就等于各相功率因数。
非正弦电路功率因数：
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。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构成。
2.4无功补偿
电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。
有功功率、无功功率、视在功率之间相量关系如图

图2-2 视在功率，有功功率和无功功率之间关系

由式cos=P/S可知，在一定有功功率下，功率因数cos越小，所需有功功率越大。为满足用电规定，供电线路和变压器容量就需要增长。这样，不但要增长供电投资、减少设备运用率，也将增长线路损耗。为了提高电网经济运营效率，依照电网中无功类型，人为补偿容性无功或感性无功来抵消线路无功功率。
2.5无功补偿作用
无功补偿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传播，相应减少了线路电压损耗，提高了配电网电压质量。
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，Ω
Xl—线路感抗，Ω
因而，功率因数提高后来可以减少线路上传播无功功率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. 提高变压器运用率，减少设备方面投资。
功率因数由提高到提高变压器运用率为：
（式2-5）
由此可见，补偿后变压器运用率比补偿前提高ΔS%，可以带更多负荷，减少
了输变电设备投资。
3. 提高电力网传播能力
有功功率与视在功率关系式为：
P=S （式2-6）
可见，在传播一定有功功率条件下，功率因数越高，需要电网传播功率越小。
2.6无功补偿原理
无功补偿基本原理：电网输出功率涉及两某些；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，这某些功率称为有功功率；不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式能，这种能作为电气设备可以作功必备条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这某些功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用电能，电容器建立电场合占电能。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°。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者电流互相抵消，使电流矢量与电压矢量之间夹角缩小，
电力系统中网络元件阻抗重要是感性，需要容性无功来补偿感性无功。

S
R
C
L

(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）向量图可知，并联电容后U与I相位差变小了，即供电回路功率因数提高了。此时供电电流相位滞后于电压，这种状况称为欠补偿
若电容C容量过大，使得供电电流相位超前于电压，这种状况称为过补偿。其向量图如（c）所示。普通不但愿浮现过补偿状况，由于这样会：
1.引起变压器二次侧电压升高；
2.容性无功功率在电力线路上传播同样会增长电能损耗；
3.如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器自身功率损耗，使温升增大，影响电容器使用寿命。
2.7电能损耗
线损是电流在输变电设备和线路中流动产生，因而它由线路损耗和变压器损耗两某些构成。按损耗变化状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损耗，涉及变压器铜损和电力线路上铜损，它与负荷率、电网电压等因素关于，约占电网总损耗80%～85% 。
国内与发达国家相比，线损较大。发达国家线损约为2%～3%，而国内在线损记录为7.1%，因此线损解决显得越来越重要。从前面阐述可知，线损与电力顾客功率因数平方成反比，故提高功率因数是减少损耗有效办法。装设并联补偿电容器可减少电网无功输出量。在顾客或接近顾客变电站装设自动投入并联电容器，以平衡无功功率，限制无功功率在电网中传送，可减少电网无功损耗，同步还可提高有功功率输送量。
2.8无功补偿方式
惯用补偿办法：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某些安装于变电所，另一某些安装于感性负载较大部门或车间。这种办法灵活机动，便于调节且可减少公司内供、配电线路损耗。
配电网无功补偿应遵循“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”基本原则，按照变电站和配电台区集中补偿，顾客就地分散补偿和配电线路分散补偿原则，实现无功功率分级平衡。
1.变电站10kV母线集中补偿
拟定变电站集中补偿容量和投切控制方式应考虑如下重要因素：满足主变压器自身无功损耗；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)无功负荷；调压需要。
关于集中补偿容量拟定，对于110 kV及如下变电站集中补偿容量按主变压器容量10%～30%配备为宜。其中对负荷集中工业变电站按满足主变压器励磁和漏抗无功功率规定，无功补偿容量拟定为：QC为0.1～0.15倍主变压器额定容量；对负荷分散农业负荷为主变电站，无功补偿既要满足主变压器无功损耗还要满足高峰负荷时无功负荷需要，无功补偿容量拟定为：QC为0.2～0.3倍主变压器额定容量。
依照负荷需求设计变电站无功补偿容量，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状况下，应尽量使电容器组投切开关操作次数减少。
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，补偿容量应为无功负荷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线路进行补偿。依照农村实际状况，农网线路补偿补偿点不适当过多；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补偿容量，应依照该线路平均无功负荷和最小无功负荷计算，当线路最小无功负荷不大于平均无功负荷2/3时，考虑到无功不应倒送，可安装固定补偿装置，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距离外，也应考虑大无功负荷点。选取电容器时应考虑电容器过电压能力，耐受短路放电能力、涌流，以及运营环境和电容器有功损耗等因素。实际装设补偿装置每组以100～200kvar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顾客专用配电变压器，配电变压器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。
无功补偿装置选取要考虑在轻负荷时防止无功倒送和获得最大节能效果原则。补偿容量按0.1～0.15倍配电变压器额定容量计算。
4. 低压顾客设备
直接对广大工矿等顾客低压电动设备进行无功补偿是配电网节能和改进电压性能有效手段。将电容器直接装在用电设备附近，与用电设备并联，对电动机补偿。在对电动机进行无功补偿时，要注意会产生高次谐波，用电容器进行无功补偿，应先进行谐波测试与分析，以便采用相应技术办法，防止谐波危害发生。
视机械负荷惯性大小而定，可按0.9～1.5倍电动机空载无功功率配备。
2.9 电网参数测量算法研究
电力系统基本电网参数测量重要涉及:电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率。依照被采集信号不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为0~5V直流电压，这种办法重要长处是算法简朴，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中应用受到限制。交流采样是把交流电压、电流信号转化为士5V(或0~5V)交流电压进行采集，重要长处是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护，其缺陷是算法复杂，精