无功补偿技术的发展及其应用研究学士学位论文.docx
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无功补偿技术的发展及其应用研究学士学位论文
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编号(学号):
13894049
毕业设计
(2013届本科)
题目:
无功补偿技术的发展及其应用研究
学院:
信息与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化专业
姓名:
指导教师:
完成日期:
2013年06月13日
毕业论文(设计)任务书
论文(设计)
题目
无功补偿技术的发展及其应用研究
下发任务日期
2013.03.01
学生姓名
张晟
指导教师
栗庆吉讲师
一.论文(设计)主要内容
本文研究的是电力系统无功补偿技术的发展以及在现代工业领域的应用。
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。
为了做好降损节能,改善电能质量,提高电气设备的有功出力,使电气设备在最佳经济状态下运行,无功功率补偿工作势在必行。
本文揭示无功功率补偿发展根本并介绍无功功率补偿的应用,意在突出无功补偿技术与现代科技发展的有机结合。
二.论文(设计)的基本要求
1.有关资料的收集:
要求尽量收集第一手资料,资料要真实、可靠、有代表性。
2资料的整理与分析:
要求条理清晰,数据分析详尽。
3查阅相关文献:
要求贴近主题,有参考价值。
4认真撰写论文,字数在10000字以上。
三.论文(设计)工作进度安排
阶段
论文(设计)各阶段名称
日期
1
现场观察无功补偿装置
2013.3.2—2013.3.10
2
参数进行分析与处理
2013.3.11—2013.3.20
3
查阅相关文献
2013.3.21—2013.4.10
4
撰写论文初稿
2013.4.11—2013.5.21
5
论文修改
2013.5.21—2013.6.2
6
论文完成
2013.6.3
备注:
四.应收集的资料及主要参考文献(指导教师指定)
1、无功补偿装置发展历程文献
2、无功补偿技术在现代工业生产中应用的文献
电力系统无功补偿技术发展现状
轧钢用静止无功补偿装置控制器的研制
轧机谐波无功补偿改造方案的应用
钢铁企业无功补偿装置发展趋势
说明:
此任务由指导教师填写一式两份,一份发给学生,一份发给指导教师留存。
沈阳农业大学毕业论文(设计)选题审批表
选题名称
无功补偿技术的发展及其应用的研究
题目来源
自拟
学号
13894049
姓名
张晟
专业
电气工程及其自动化
指导教师
栗庆吉
职称
讲师
研究
内容
本文研究的是电力系统无功补偿技术的发展以及在现代工业领域的应用。
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。
为了做好降损节能,改善电能质量,提高电气设备的有功出力,使电气设备在最佳经济状态下运行,无功功率补偿工作势在必行。
本文揭示无功功率补偿发展根本并介绍无功功率补偿的应用技术与现代工业有机结合。
研究
计划
1.在实用电力网及工业领域观察无功补偿设备工作方式
2.通过计算将电力系统中各参数进行分析与处理
3.通过各种渠道查阅相关的文献和资料
4.根据已有的材料和数据进行撰写论文初稿
5.上交论文,经导师指导修改论文
6.论文完成
特色
论文中既有数据合理化分析又有多元件参数共同运用统筹实例,理论依据充实,对电力网无功补偿技术发展的研究有一定依据,总结经验与发展展望结合、共存。
指导教师意见
教研室意见
学院意见
毕业论文(设计)指导记录
学生姓名
张晟
专业
电气工程及其自动化
指导教师姓名
栗庆吉
职称
讲师
本年度指导毕业生人数
6
论文(设计)题目
无功补偿技术的发展及其应用的研究
时间
地点
指导内容
1、2012.10.2至2013.3.10
2、2013.3.11至2013.3.20
3、2013.3.21至2013.4.10
4、2013.4.11至2013.5.21
5、2013.5.22至2013.6.2
6、2013.6.3
校外变电站及工业生产现场
学院实验室
校图书馆
网上指导
学院317教室
电子教研室
在实用电力网变电站及工业生产中观察无功补偿技术的运行与应用
通过计算将电力系统中各参数进行分析与处理
通过各种渠道查阅相关的文献和资料
根据已有的材料和数据进行撰写论文初稿
上交论文,经导师指导修改论文
论文完成
学生签字:
年月日
指导教师签字:
年月日
教研室主任签字:
年月日
沈阳农业大学毕业论文(设计)考核表
论文题目:
无功补偿技术的发展及其应用的研究
姓名:
张晟学号:
13894049专业:
电气工程及其自动化专业
指导教师评语:
指导教师(签字):
年月日
评阅人评审意见:
评阅人(签字):
年月日
成绩:
答辩委员会意见:
主任委员(签字):
年月日
注:
答辩委员会意见除填写简要评语、给出成绩外,还要提出是否授予学位的建议。
目录
摘要1
Abstract2
前言3
1无功补偿的概述3
1.1电力系统的可靠性与经济性3
1.2无功补偿及无功损耗的产生5
1.3采用无功补偿的必要性和优势7
2无功补偿技术的发展历程及现状9
2.1无功补偿原理9
2.2无功补偿装置的发展历程9
2.3无功补偿分类介绍及经济性分析10
3无功补偿技术在现代工业中的应用及案例分析15
3.1电容器在电气化铁道中的应用15
3.1.1我国电气化铁道的发展和供电现状分析15
3.1.2.1工作原理分析分析16
3.1.2.2电气化铁道专用台架式16
3.1.3电气化铁道的串联电容补偿装置17
3.2SVC在钢铁企业中的应用及案例分析17
3.2.1SVC+FC在莱钢1500mm热轧中的应用分析18
3.2.1.1SVC+FC的补偿原理18
3.2.2冶金企业中静止无功动态补偿装置的应用20
3.2.2.1电弧炉用静补装置及其容量的选择方法21
3.2.2.2关于30t超高功率电弧炉短路容量及所需静补偿容量的设定24
结论26
参考文献27
致谢28
摘要
电力网的平稳经济的运行对于用户的日常生活,企业工商业的正常运行及高科技领域的健康发展意义重大。
为了做好降损节能,改善电能质量,提高电气设备的有功出力,使电气设备在最佳经济状态下运行,无功功率补偿工作势在必行
本文用辩证的的手法讨论了电力系统经济性和用电安全可靠性在不同领域的侧重点。
从本质上介绍了无功功率的产生,从公式讨论无功功率在电网中运行时是如何产生压降和线路上的功率损耗。
介绍了无功补偿装置的发展,从最初的同步调相机、电容器到现在最先进的无功静止发生器,分类阐述了企业和配电网的无功补偿方式并在最后介绍了现代工业中的无功补偿方面的应用,又在最后进行了关于30t电弧炉无功补偿容量的设计。
本文以电网运行的一对根本问题经济性与可靠性的视角,分析无功功率补偿的原理为出发点和着力点。
揭示无功功率补偿发展根本。
本文以无功功率补偿装置的发展为脉络,发展无功补偿技术的前世今生。
全方位,宽领域,多层次的介绍无功功率补偿的应用,意在突出无功补偿技术与现代科技发展的有机结合。
关键词:
无功功率补偿;无功补偿装置;经济性;可靠性
Abstract
Steadyeconomicpowernetworkoperationisgreatsignificance.foruserswithdailylife,normaloperationandhigh-techfieldsofindustrialandcommercialenterpriseshealthydevelopment.Inordertodoagoodjoblossreductionandenergyconservation,improvingthequalityofelectricenergyandtheactivepoweroutputofelectricalequipment,electricalequipmentrunninginthebesteconomicstatethewattlesofpowercompensationmustbeimperative.
Inthispaper,bymeansofdialecticaldiscussionoftheeconomyofthepowersystemandtheemphasisofelectricalsafetyindifferentfieldsthatreactivepowerareintroducedfromnature,fromtheformuladiscussedwithoutreactivepowerinthepowergridtorunishowtogeneratethepowerlossofpressuredropandontheline.Introducingthedevelopmentofthewattlesscompensationdevice,thesynchronouscondenser,capacitorinitiallytonowthemostadvancedwattlessstaticgenerator,andtheclassificationdescribesenterpriseanddistributionnetworkwattlesspowercompensationwayandintheendthepaperbrieflyintroducestheapplicationofmodernindustrialwattlesspowercompensation.
Inthispaper,afundamentalquestionoftheeconomyandreliabilityofpowergridoperationperspective,regardanalysisoftheprincipleofwattlesspowercompensationasthestartingpointandfocus.Torevealthewattlesspowercompensationbasicdevelopment.wearecomparingwiththedevelopmentofwattlesspowercompensationdevicecontext,preexistenceofwattlesscompensationtechniquedevelopment.All-around,widefield,multi-tieredapplicationswithoutreactivepowercompensation,intendedtohighlighttheorganiccombinationofwattlesspowercompensationtechnologyandthedevelopmentofmodernscienceandtechnology.
Keywords:
:
WattlesspowercompensationWattlesspowercompensationdeviceeconomy,reliability
前言
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。
电力系统是一种特定的环境,由于其自身的运行规律,公用电网出现无功功率给电网运行的本身带来麻烦和制约,加上现代化的技术不断发展,近年来,随着冶金,电气化铁道的飞速发展,诸多具有冲击性负荷的电弧钢炉,轧钢机等不断投入电网,导致电网功率因数下降,波形畸变,电压波动,谐波干扰等公害。
因此无功功率补偿的发展和应用备受关注。
无功补偿技术的发展历程不仅仅反映电网供电技术的完善更与国民经济建设休戚相关。
1无功补偿的概述
1.1电力系统的可靠性与经济性
在我们学习和研究电力系统的知识中,在继电保护,架空线路,变电工程设计等一些实际应用的电力学科中,经常会看到速度性,经济性,可靠性,灵敏性,可扩展性(可持续性)等带有“性”字样的属性词组,而其中经济性和可靠性似乎更加突出,它们之间的讨论和斟酌往往决定电力网中的设备的接线方式(星型和V型接线),误差精准级,投切方式,甚至电机机组的及并网情况(冷备用和热备用)
从哲学的角度来说,可靠性和经济性是一种对立统一关系,也就是在追求经济性的情况下,我们采取的措施方案往往就要牺牲系统运行的可靠性,当我们选定的方案力求可靠性的时候,那可能我们投入的资金就要往往更多一些,例如
图1-1无备用接线方式:
(a)放线式(b)干线式(c)链式
图1-2有备用接线
(a)放射式(b)干线式(c)链式(d)环式(5)两端供电网络
我们可以清楚的看出,有备用的结线方式所用的输电线路,电源,以及其他电气要比无备用结线多,那么资金投入就会与无备用方案比较起来多,经济性差,但它们的可靠性高,一旦出现故障仍能保持可持续供电。
因此在电力系统运行的研究过程中,我们不断的追求既可靠又经济的方案,例如在电缆及部分变压器的末端加分裂电抗器来平衡短路电流所带来的影响,这种电抗器虽然基本结构简单却能有效的起到限流的作用,不失为既经济又可靠。
图1-3分裂电抗器的接线图和运行方式
(a)正常运行情况;(b)d1点短路;(c)d2点短路
然而并不是所有方案都能满足既经济又可靠这一层面,因此在特定情况下不得不做出取舍。
关于这些问题除了要具体问题具体分析,决定作用应该是源于决策者的原则或者说意愿,我们先来看一下关于互感器准确度等级的选择:
不得低于所供测量仪表的准确度等级
Ø0.2:
用于试验室精密测量(校准级)
Ø0.5:
用于计费测量
Ø1:
用于盘式仪表和技术上用的电能表(估量)
Ø3,10,B:
用于继电保护
准确度等级越低要求的误差越小,由此我们似乎可以窥视出在电网操作过程中更注重2,3也就是说是经济层面,而把继电保护这一可靠性层面的代表放在后面,到底是不是这样,我们可以从电力系统运行的承担者的角度来分析。
首先,我们来分析一下电力系统或者说是国家电网公司和南方电网公司的实质,不言而喻无论是国家电网公司还是南方电网公司都是企业,作为企业无论是在何种经济体制下都是以赢利为目的,正是基于这种以追逐利益最大化为目的的思路,我们或许可以看到,在供电技术发展的过程中不断追求经济性,然而保障供电安全,电质量,是电力企业存在的意义,或者说是先决条件。
可靠性是电力技术发展的根本,而经济性是电力技术不断优化的动力。
可靠性是要求,经济性是追求。
从无功补偿可以改善电能质量,降低电能损耗,挖掘发电供电设备潜力,无功补偿减少用户电费支出,从以上的几点我们不难可以看出,无功补偿技术发展的关键在于“省”,电力企业在追求经济性的过程中,必须把持“开源节流”,那么将动力系统中的能源利用率提高,开发如核能,太阳能,风能发电称为“开源”的话,我们就可以把无功补偿比作成“节流”。
这种本质的意义也是无功补偿技术发展过程及应用过程中的研究人员所应该秉承的理念。
1.2无功补偿及无功损耗的产生
无功功率这一名词的出现显然与有功功率对应而产生的,有功功率通常被解释为有用功功率,而按照常理对应下来无功功率就要被解释成没有用的功率。
其实这是对无功功率和有功功率的误解。
有功功率应该被严格的理解成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的能量(机械能,电能,热能)的电功率,那么无功功率就是一种既不能作有功,但又会在电网中引起损耗,而且又是不能缺少的一种功率。
无功功率是用于电路内电场与磁场的交换,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。
它不对外作功,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。
无功功率不做功,但是要保证有功功率的传导必须先满足电网的无功功率。
那么我们就不禁会有这样的疑问,既然无功功率不能为我们所用,那么我们为什么不只让有功功率在电网中游动呢,电力系统是一种的特定环境,公用电网中出现的无功功率,是电网本身的运行规律所决定,但它给电网运行带来了许多麻烦,这种麻烦的起因源于2方面。
一方面是电源,发电机是唯一的有功电源,也是最基本的无功电源,从下图
图1-4发电机运行原理图
如上图所示,我们不难发现,图中OB的长度就代表发电机的额定视在功率SN,从而OC=OB
,Ob=OB
就分别代表发电机的额定无功、无功功率;而b图中,所示横、纵轴分别代表发电机组所发有功、无功功率的平面上的极限,从而可以看出,在通常的发电机运行模式下,除非完全理想的状态在完全以有功功率运行是不可能,因此可以看出无功功率在电源输出端是不可避免。
因此在现实条件下是无法得到的,这样从电源端就将S=P+Qj,使得带有无功功率(Q)的潮流流入了电网中。
图1-5输电线路的基本模型
从上我们可以看出,由于线路自身等效的存在,在功率运输的过程中,会出现各种感性的容性的损耗,转换,这样即便是在电网的首段注入的完全是有功功率,在线路上经过一系列的损耗,到达尾端也必然会出现无功功率。
有上述我们可以看出,无功功率是电能产生和运输中,被动出现的功率,它便是一个媒介通过建立一系列的磁电关系是有功功率到达所需要的地方去,合理的利用调配无功功率也可以说得上是为有功功率的传送保驾护航。
电力系统是一种特定的环境,公用电网中出现无功功率,是电网本身的运行规律决定的,但它给电网的运行带来了许多麻烦。
其中影响最大的有点1)无功功率引起电压末端下降和由于无功功率引起的有功功率损耗。
设一专线用户的网络元件等值电路如图1所示,其中R和X分别为电阻和等值电抗,U和I表示相电压和相电流。
电压降落相量分解如图1-6所示。
图1-6电压降落相量分解
将横分量省略后,我们得到了一个公式
U=
(1-1),电压的变化是有P,Q,X,R四个变量共同决定的,如果我们设有功为0的话,那么公式可以写成为
(1-2),那么电压的压降就被证明与Q有关,因此我们可以断定如果电网中注入了大量的无功功率对其末端的电压影响是很大的。
这是潮流的基本表达式,由于电网中出现了感性或者容性的原件,使本来直流运算的I(电流)带有了虚部也使其产生的转角,为了直观的理解引入潮流这一概念,不过它的作用依然和电流是一样的。
只不过它是用功率形式体现出来的,
I2R
(1-3),如果将有功率P省略那么,依然可以看出无功率是运输中有功损耗的一份子。
在潮流中S=
(1-4),P,Q是数学运算的关系,而在损耗的公式是相加的关系,变成了数字累积的关系,原来“1+1=
”现在变成了“1+1=2”,因此用数值上来看出无功功率在线路上的损耗比电压损耗更大。
1.3采用无功补偿的必要性和优势
电力系统的三要素分别是频率,电压,波形。
频率的波动是由于有功功率引起的,如果无功功率Q在电网中的调配不合理,就使功率因数下降,使有功损耗增多,那么在动力系统不变的条件下,过多的有功损耗会使频率f下降,使电质量下降。
通过上节公式的我们可以得到无功功率是电力系统下降的份子。
而是波形畸变的罪魁祸首是谐振的产生,而出现谐振的原因是由于频率和无功元件的属性共同作用的。
从上段看出,电力系统三要素或多或少都与无功功率的调配有关,因此对于电力系统进行无功补偿是十分重要的,这是保证供电可靠性的必要性的必要举措。
补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数。
减少发、供电设备的设计容量,减少投资,提高功率因数后,线损率也下降了。
减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。
1、无功补偿改善电能质量电网中无功补偿设备的合理配置,与电网的供电电压质量关系十分密切。
合理安装补偿设备可以改善电压质量。
由于越靠近线路末端,线路的电抗越大,因此越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
2、无功补偿降低电能损耗安装无功补偿主要是为了降损节能,如输送的有功P为定值,加装无功补偿设备后功率因数由cosφ提高到cosφ1,因为P=UIcosφ,负荷电流I与cosφ成反比,又由于
,线路的有功损失与电流I的平方成正比。
当cosφ升高,负荷电流I降低,即电流I降低,线路有功损耗就成倍降低。
3、无功补偿挖掘发供电设备潜力
(1)在设备容量不变的条件下,由于提高了功率因数可以少送无功功率,因此可以多送有功功率。
可多送的有功功率ΔP计算如下:
ΔP=P1-P=S(cosφ1-cosφ)
(2)如需要的有功不变,则由于需要的无功减少,因此所需要的配变容量也相应地减少ΔS计算如下:
ΔS=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下:
ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)安装无功补偿设备,可使发电机多发有功功率。
系统采取无功补偿后,使无功负荷降低,发电机就可少发无功,多发有功,充分达到铭牌出力。
4、无功补偿减少用户电费支出
(1)可以避免因功率因数低于规定值而受罚。
(2)可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗,因而相应可以减少电费的支出。
综上所述,采用无功补偿可以提高功率因数,是一项投资少,收效快的节能措施。
并联补偿电容器原理简单、使用方便、运行经济、投资省、可以分组投切保证电压合格率和合理的功率因数。
我国各地区配网和农网很多地方平均功率因数偏低,有降低线损的潜力。
通过计算,采用补偿电容器进行合理的补偿一定能取得显著的经济效益。
就在无功补偿,成为保持电网高质量运行的主要手段之一,这也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的发展的一个重大课题,但在对其进行采用和研究过程中不是会面临以下几种难题。
无功补偿装置装设不合理,无功不能就地平衡。
电磁环网存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理,造成无功“窜流”现象严重配网无功补偿容量缺乏,造成配电网损耗较大,降低了配电线路和变压器的传输能力。
从运行及投资方面看,配变低压无功补偿电容器利用率高,使用灵活、运行经济、设备简单,不需要维护,低压并联补偿电容器可以分组投切保证电压合格率和合理的功率因数。
调压手段少电网内变电站基本上都采用有载调压变压器,在35kV电压一般不采用有载调压方式。
考虑到一些站两台主变有载分头不匹配、主变额定电压选择不当等问题,调压手段就显得不足。
由于上一级变电站缺乏调压手段,造成变电站母线电压偏高,电容器不能正常投入。
无功调压设备管理力度不够近几年无功设备管理水平虽较以前有了很大提高,但仍存在对电压无功重视不够的现象。
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