第二章 风电场无功补偿

静态无功功率补偿无功补偿技术第二章静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。无功功率补偿装置接人系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可靠性影响小而广泛使用以串联方式接入系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿。串联补偿方式因为接线复杂，操作不方便、对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有并联电容器：并联电容器用于补偿感性无功功率并联电抗器：并联电抗器用于补偿容性无功功率串联电容器：用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电压串联电抗器：用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流动；其组合：混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。由于串联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联电抗器，因此，静态无功功率补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。2.1并联电容器电容器是电子工业与电工设备中的基本元件之一。电容器就是储藏电荷的容器。电容器通常由两块中间隔以绝缘介质的导电板组成。两块绝缘板中间的介质可以是气体、液体、固体或者混合体。电容器的命名方法很多，主要分为以下几种：按接入系统的方式：并联电容器、串联电容器按电压级别：高压电容器、低压电容器不过通常对于具体的电容器来说，一般以绝缘介质的名称来命名电容器瓷介电容器云母电容器纸质电容器薄膜电容器、纸膜复合介质电容器等。并联在电力系统的大功率电容器称为并联电力电容器，也称并联静电电容器，习惯上简称为并联电容器。2.1并联电容器※并联电容器首先是在20世纪10年代中期用于功率因数的校正。但是，由于早期的电容器使用油作为绝缘介质，体积和重量太大而且价格很贵，电容器的应用受到限制。并联电容器发展过程※20世纪30年代，由于电容器价格和体积有大幅度下降。因此，自20世纪30年代后期，电容器的使用有显著的增加。※发展到今天，并联电容器成为一种提供无功功率的非常经济的电力装置。价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便并联电容器优点：①其无功功率输出与电压平方成正比，低电压时无功功率输出减小，而这时的系统却需要更多的无功功率；②电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统无功功率需求的变而改变，是一种静态无功功率补偿装置，适用于无功功率需求稳定的场所，但即使这样，也容易造成欠补偿或过补偿。并联电容器缺点：2.1.1并联电容器补偿无功功率的原理假设电气负荷是电阻R和电感L组成的并联电路，对R、L电路进行无功补偿，电容无功补偿的等值电路如图所示UCIRILIRLICRLS并联电容器投入时，电流方程：CRLIIII1LCUUUUUUIRjLRjXjXjC电容器提供的无功功率为：221CCUUQUIUCUXC完全补偿：CLII欠补偿：CLII过补偿：CLII并联电容器不投入时，电流方程：RLIII2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式特点：用电设备运行时，无功功率补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功功率倒送；同时还具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。1、个别补偿个别补偿又称为“就地补偿”，也称“随机补偿”。个别补偿分为低压个别补偿和高压个别补偿。它就是根据个别用电设备对无功功率的需要量将单台或多台电容器组分散地与用电设备并接。通过控制、保护装置与用电设备同时投切，既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量。2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式缺点：当电气设备不连续运转或轻负荷，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏，因此，补偿装置需要较频繁投切；不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。2、集中补偿方式集中补偿是指将并联电容器接在汇流母线上，根据母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。安装位置：一般把补偿装置装于地区变电站或高压供电电力用户降压变电站的一次或二次母线上，也包括集中装于电力用户总配电高低压母线上。优点：安装方便，有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，运行可靠，利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及专供线路的无功负荷和电能损耗。集中补偿分为低压集中补偿和高压集中补偿。2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式常见的安装方式有：①高压补偿装置分组安装于城乡电网10、6kV配电线路的杆架上；②低压补偿装置安装于公用配电变器的低压侧或电力用户各车间的配电母线上。3、分组补偿（又称分散补偿）安装位置：根据各用户的各个负荷中心，把补偿装置装分成几组安装在功率因数较低的村镇终端变、配电所高压或低压母线上或车间配电室或变电所分路出线上。2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式4、混合补偿混合补偿就是对于大容量的低压负荷和高压负荷采取个别补偿，同时在低压母线或高压母线上安装电容器，集中补偿大量的小容量高低压负荷的无功功率需求。优点：避免了全面个别补偿所带来的安装、控制、保护、运行方面的麻烦，也避免了全面集中补偿带来的无功功率传输距离长、无功功率传输容量大、功率损耗大的缺点，因此在电力系统无功功率补偿实践中被广泛使用。2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功功率，配电变压器空载无功功率是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配电变压器而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。5、随器补偿与跟踪补偿随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功功率的补偿方式。随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功功率，限制农网无功功率基荷，使该部分无功功率就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功功率网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功功率最有效的手段之一。2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式跟踪补偿：指以无功功率补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。适用于lOOkVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器补偿方式，补偿效果好。优点：运行方式灵活，运行维护工作量小，比随器补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。缺点：控制保护装置复杂、首期投资相对较大。2.1.3并联电容器补偿容量的确定安装并联电容器进行无功功率补偿时，电容器安装容量的选择，可根据不同目的来确定。max12(tantan)CavQPmaxCavCQPq(1)集中补偿和分组补偿电容器容量Qc(kvar)的确定。采用集中补偿方式和分组补偿方式时，总的补偿容量按功率因数可由下式决定。或—电容器补偿率，kvar/kW，即每千瓦有功负载需要补偿的无功功率，maxPav12Cq12tantanCq—由变电所供电的月最大有功功率计算负载，kW；—月平均负载率，一般可取0.7~0.8；—补偿前的功率因数角，cosφ1可取最大负载时的值；—补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定，一般可取0.9~0.952.1.3并联电容器补偿容量的确定3632*10*10*(*10)CYQCU3*10CYQCU3*10CYQCU电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。电容器组为星形连接时23331CCYYUQUIUCUCCQ—电容器组无功功率（var）U—装设地点电网线电压（V）CI—电容器组线电流（A）YC—电容器组电容（F）考虑到电网线电压的单位常用kV，Qc的单位为kvar，则星形连接时每相电容器组的容量为YC单位为μF2.1.3并联电容器补偿容量的确定电容器组为星形连接时23331CCYYUQUIUCUC3*103CQCU33*10CQCU考虑到电网线电压的单位常用kV，Qc的单位为kvar，C△的单位μF为则星形连接时每相电容器组的容量为2.1.3并联电容器补偿容量的确定（2）就地补偿电容器容量QC（kvar）的确定303*10CNQUI单台异步电动机装有个别补偿电容器时，若电动机突然与电源断开,容器将对电动机放电而产生自励磁现象，如果补偿电容器容量过大，可能因电动机惯性转动而产生过电压，导致电动机损坏。为防止这种情况，不宜使电容器补偿容量过大，应以电容器（组）在此时的放电电流不大于电动机空载电流I0为限，即式中，UN—供电系统额定线电压（V）I0—电动机额定空载电流（A）可用下式估算I002(1cos)NNII或0cos(sin)2NNNTIIn式中，IN—电动机额定电流（A）φN—电动机未经补偿时的功率因数角nT—电动机最大转矩倍数，一般取1.8~2.22.1.3并联电容器补偿容量的确定（3）按配电变压器容量确定无功功率补偿容量式中，SN—配电变压器容量（kVA）配电变压器低电压侧安装电容器时，应注意防止轻载时向10kV配电网倒送无功功率，以取得最大的节能效果，根据配电变压器容量其补偿容量QC（kvar）为(0.1~0.5)CNQS（4）按提高运行电压来确定补偿容量Qc(kvar)。按提高电压要求来确定补偿容量的方法适用于以调压为主的枢纽变电站和电网末端的用户变电所，其补偿容量按提高电压的要求，采用近似计算法为2*CUUQX式中，△U—需要提高的电压值（V）U2—需要达到的电压值（kV)X—线路电抗（Ω）2.1.3并联电容器补偿容量的确定需要注意，若实际运行电压与电容器额定电压不一致，则电容器的实际补偿容量为21wCNNUQQU式中，UN—电容器的额定电压QN—电容器的额定补偿容量Uw—电容器实际工作电压案例分析变电所低压侧集中补偿的各条出线的参数和设备容量见下表。负载数量（台）设备容量（kW)负载系数平均功率（kW·h）平均cosφ总平均功率(kW)总平均cosφ电动机33000.82400.874750.84电动机1750.75600.86各种设备383500.51750.8今欲将功率因数提高到0.97~0.98，求补偿电容的容量解：211cosQP无功与有功之间的关系：案例分析功率因数由0.84提高到0.97时：12212221111coscos1147511188var0.840.97CavQPk功率因数由0.84提高到0.98时：22213221111coscos1147511210var0.840.98CavQPk所以，无功补偿容量188var210varCkQk2.1.4并联电容器的放电回路当电容器（组）与电源断开时，电容器两极间电压等于断开时电网电压的瞬时值，然后通过本身的绝缘电阻自放电。在自放电过程中，电容器的端电压按指数规律衰减，即/0()tRCCutUe式中，U0—电源开关断开时电网电压瞬时值（V）C—并联电容器的电容量（F）R—电容器的绝缘电阻（Ω）t—电源开关断开后的时间（s）为保证运行和检修人员的安全，应使电容器尽快放电，其方法是装设放电电阻。2.1.4并联电容器的放电回路※集中补偿和分组补偿方式的低压电容器组，可采用白炽灯接成星形作为放电回路；※补偿异步电动机的方式而言，电容器（组）可通过定子绕组放电，无需专设放电电阻；要求源开关断开30s后，电容器端电压小于65V；正常运行时该电阻消耗功率很小，每千乏并联电容器消耗功率不大于1W。由此得出放电电阻的计算公式为2lnexrtRUCU※lkV以上的高压电容器组，可利用母线上的电压互感器高压绕组作为放电装置。式中，Uex—电容器组的