第33卷第2期 电力电容器与无功补偿 Vo1.33 No.2 2012年4月Power Capacitor&Reactive Power Compensation Apr.2012 基于MATLAB仿真的无功补偿应用研究 黄时细 ,罗小安 ,蔡文丰。 (1.广州市电力工程设计院有限公司,广东广州510220;2.湖南邵阳市隆回县水务局; 湖南邵阳 ̄22200;3.广东和发输变电安装有限公司,广东广州510221) 摘要:在电力系统中,无功功率对保证电能质量和安全可靠运行是必不可少的,由于选取无 功功率补偿容量是一个比较复杂的问题,实际投运结果会因为电压偏移而导致与理论计算结 果产生偏差。本文通过分析一个简单的电力系统,结合具体工程实际,运用MATLAB软件,建 立无功功率补偿仿真系统模型,仿真结果表明,运用MATLAB仿真系统可以比较准确地模拟 补偿量对电力系统的影响,对无功补偿量的选取及投入方式有实际的应用意义。 关键词:仿真模型;无功补偿;电力系统 中图分类号:TM714.3 文献标识码:A文章编号:1674—1757(2012)02-0017-05 Research of Reactive Power Compensation Application Based on MATLAB Simulation HUANG Shi.xi ,LUO Xiao—an ,CAI Wen—feng (1.Guangzhou Electirc Power Engineering Design Co.,Ltd.,Guangzhou 510220,China; 2.Hunan Shaoyang City Longhui County Water Conservancy Bureau,Shaoyang 422200 China; 3.Guangdong Hera Power Transmission and Transformation Installation Co.,Ltd.,Guangdong 510221,China) Abstract:In power system,the reactive power is essential to the ensure the power quality,as well as the safe and reliable operation.As the selection of reactive power compensation capacity is a com- plex problem,the voltage offset will cause deviation between actual results and calculatied results.In this paper,a simple power system is analyzed,combined with specific engineering practices a simu— lation system model for reactive power compensation is established based on MATLAB software.The simulation results show that,using MATLAB can accurately simulate the effect of compensation on power system,and have practical significance for the reactive power compensation capacity selection and practical application. Keywords:simulation model;reactive power compensation;power system 0引言 客户端得到了广泛的应用 引。 无功补偿采用的方式大致有:①个别补偿:是 电力无功功率是存在于交变磁场和交变电场 用于补偿个别大容量投切连续运行(如大中型异 中的一种瞬时功率,它和有功功率一样是维护电 步电动机)的无功消耗,以补励磁无功为主;②集 力系统稳定、保证电能质量和安全可靠运行必不 中补偿:是根据母线上的无功负荷而直接控制电 可少的…。由于电网中负荷绝大多数呈感性,消 容器的投切。电容器的投切是整组运行,做不到 耗电力系统的无功功率,为了保证系统稳定及电 平滑的调节。优点是接线简单、运行维护工作量 能质量,采用并联电容器组来进行无功就地补偿 小,能使无功就地平衡,它是目前无功补偿中常用 是一种较经济易行的措施,并已在终端变电站及 的手段之一 。 收稿日期:2011—11-10 ・17・ 2012年第2期 电力电容器与无功补偿 第33卷 无功补偿技术的发展经历了从同步调相机一 1)当cos 。<cos ,若忽略系统有功线损 开关投切固定电容器一静止无功补偿器(SVC)~ AP ,则当系统的有功功率P 等于负荷的有功功 静止无功发生器(SVG)的过程 J。 率P 。时,这时系统所供负荷需无功功率为QLD: 现有的无功补偿装置主要存在的问题有 J: PLD×tan(arccos ̄LD),系统此时的无功功率为Qs ①没有解决无触点安全投切电容和无级调节投入 =Ps×tan(arccos ̄ )。故有Qs<QLD,即系统发 电容容量的问题;②不能提供动态无功补偿的三 出的无功功率无法满足负荷所需的无功功率,此 相均荷控制;③易导致谐波放大,发生谐振时,引 时还未计及整个电力系统的无功损耗。这种情况 起电容器谐波电流严重放大,其结果是电容器因 下无功功率无法平衡,故需进行无功功率补偿。 过热而损坏,系统电压严重畸变,影响其他用电 2)当COS ̄LD=Cos ̄p。时,因系统有无功损耗, 设备的安全运行;④现有的装置容易产生高次谐 系统的无功功率不可能同时满足无功负荷、无功 波;⑤不能达到全局最优点。 线损及变压器无功损耗的需要,因此整个系统的 现今,MATLAB软件能给予工程技术人员、在 无功功率依然无法平衡,仍然需要补偿无功功率。 校科研人员一个研究平台,可以模拟电力系统进 3)当COS ̄LD>cos 时,负荷所需的无功功率 行仿真试验及运算 J。并且通过人为设置不同 为QLD=PLD×tan(arccosCLD),小于系统的无功功 的故障点或无功补偿点,用MATLAB软件中的示 率Q =P ×tan(arccos ̄ )。但因系统存在着无 波器查阅输出的运算结果,测量结果即为该点的 功损耗AQ ,以及输电线路的充电功率、变压器无 真实值,数值可经内部示波器读出。因为其运算 功功率损耗等多方面因素的影响,尚难判断整个 快、测量数据准确,比手工计算简便,且可以多次 电力系统的无功功率是否能平衡,需具体问题具 使用,所以应用MATLAB软件进行无功补偿研究 体分析。 在实际运行工作中有着广泛的前景¨。。。 1.2 系统无功功率补偿量的近似计算 1 无功功率补偿容量的分析与近似计算 无功补偿近似计算方法如下: 根据文献[15—16],在用户终端,如进行无功 1.1 系统无功功率的补偿分析 功率补偿,避免无功功率远距离输送,必须从提高 在电力系统中,采用无功补偿的方式各种各 负荷处的功率因数着手。设补偿前负荷的功率因 样,需根据具体情况具体对待。随着技术的发展, 数为cos( ̄u) ),补偿后的功率因数为cos( ), 终端用户对电网供电电压的质量要求越来越来 忽略无功损耗AQ ,则补偿前线路输送无功P皿× 高,整个系统需要保持有功功率与无功功率的平 tan(arccos LD2),补偿后线路输送无功PLD× 衡,否则将会使系统电压降低,电气设备出力不 tan(arccos ̄ ),二者之差就是无功功率补偿容 足,网络传输能力下降,损耗增加,严重时会导致 量的近似估算值,也即: 用电设备损坏。因此,进行必要的无功功率补偿 Q=PLD×(tan ̄LD1一tan ̄Lm) (1) 是必不可少的手段…。 。 式(1)中cos 删是通过经验或统计数据求得 图1所示为简单电力系统,S为系统,L 、L 的,称为用户自然平均功率因数,计算式为: 为输电线路,T 、T2为变压器,s∞为终端负荷。其 中负荷功率5LD=P叻+jQLD,功率因数为cos ̄m, cos LI)2 (2) 系统s的功率因数为cos 。。根据文献[13—14], 则有: 式(2)中, 为企业的计算有功功率,kW;Q 为企业的计算无功功率,kvar;1 ̄ 为年平均有 功、无功负荷系数, 值一般取0.76—0.82, 值 一图1简单电力系统图 般取0.7~0.75。 n昏1 Simple power system dlagnun 根据文献[17]对于已经投入使用的用户,其 平均功率因数计算式为: ・18・ 2012年第2期 ・无功补偿・ 黄时细,等基于MATLAB仿真的无功补偿应用研究 (总第140期) ∞ (3) √ + 输I 线路 式(3)中, 为月或年有功电能消耗量,即 有功电能表的读数,kwh; 为月或年无功电能 +j QI】) 消耗量,即无功电能表读数,kvarh。 图2一次主接线示意图 补偿Q 后,核算负荷计算功率因数公式为: Fig.2 Schematic diagram for primary connecting 系统S以10 kV电压供电给用户,不考虑线 COS・ LD2 (4) 路上的其他用电用户。设线路长约10 km,用户 的有功负荷为P。 =5 000 kW,补偿前功率因数 式(4)中Q 为人工补偿的无功功率,kvar,其 为0.78,则无功功率Q 。=3 900 kvar。根据供用 余符号同前。 电协议,供电部门要求公司高压计量点的功率因 虽然无功补偿设备的一次性投资比较大,但 数c0s9达到0.92及以上,考虑裕量及不至于向 是从长远的角度看,这不仅节约了电能,而且也可 系统倒送无功功率,功率因数cos 实际补偿至 以给用户本身带来很大的经济效益。 0.95,依据前面的公式计算,补偿的无功功率总计 2构建MATLAB仿真模型及仿真分析 QA:5 000[tan(arccos0.78)一tan(arccos0.95)] 一2 368 kvar 2.1构建MATLAB仿真模型 根据电容器的容量等级,在仿真模型中,考虑 现以某有限公司的lO kV配电工程为例分析 补偿容量为2 400 kvar。 建立无功补偿仿真模型。 由供电一次接线图及无功补偿容量,建立如 公司供电的一次接线示意图如图2所示。 图3所示的仿真模型。 图3 MATLAB仿真模型图 iFg.3 MATLAB shnulafion model 补偿容量分成3组,分别为C 、 、 ,具体 2.2仿真分析 容量可根据情况设置;电容器的切除投人由断路 2.2.1 一次投入整个补偿容量的情况 器QF 、QF:、QF,控制,投入或切除由阶跃函数脉 选取电容器c。的容量为2 400 kvar,T 时间 冲T 、T2、T3控制断路器的通断,通断时间可根据 为0.2 S,即在0.2 S投人补偿电容,其他电容不投 具体仿真情况选取,下面根据电容器的投切及容 入。从仿真图4、5可以看出,补偿后电压幅度明 量的变化分几种情况分析补偿对10 kV母线电压 显增加,增加值约为1 300 V;电流幅度减小,减小 及电流的影响。 值约为30 A。并且在电容刚投人时,电压、电流 ・19. 2012年第2期 电力电容器与无功补偿 第33卷 都有一个比较大的突变,对电网及用户设备来说, 造成冲击是一个不利的方面。 一500 400 300 2(】f) lfx】 0 .匿一 皿越盘盘蓝监盟熟舅 拦盟翦越煎掂地 确 一一—l0o 2 ) 3o0 40o 图7 10 kV母线端负荷电流波形 Fig.7 Load current waveform of 10 kV bus 0 0 05 0 1 0 1 5 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 II,¨hJ/s 图5 10 kV母线端负荷电流波形 Fig.5 Load current waveform of 10 kV bus 2.2.2分3次投入补偿电容的情况 选取电容器c。、c 、C 的容量分别为 800 kvar、800 kvar、800 kvar,T1、 、T3时间分别 为0.2、0.25、0.3 S,即在0.2、0.25、0.3 S投入补 偿电容。图6、7为10 kV母线电压波形,10 kV母 线端负荷电流波形,可以看出,补偿后电压幅度总 体上增加,逐次补偿增加,总增加值约为1 200 V; 电流幅度逐次减小,总减小值约为28 A。虽然有 点减小,但不明显,在电容刚投入时,电压、电流的 突变都比较小,相对电网及用户设备来说,冲击也 比较小,这是有利的方面。 图6 10 kV母线电压波形 Fig.6 Voltage waveform of 10 kV bus 2.2.3补偿容量过大的情况 选取电容器C 的容量为6 000 kvar,T。时间 为0.2 s,即在0.2 s投入补偿电容,其他电容不投 ・20・ 人。仿真图8、9为补偿容量过大时,10 kV母线 电压及端负荷电流波形,可以看出,补偿后电压幅 度增加比较大,增加值约为2 500 V;但电流不是 减小,而是增加,增加值约为50 A。这可能是系 统发生并联谐振,因谐波放大引起。并且在电容 刚投入时,电压、电流都有一个比较大的突变,对 电网及用户设备的运行造成不利的影响;并且当 系统在最小运行方式时,由于电压升高,设备励磁 电流增加,相对应地增加了电流,设备温度升高, 严重时烧坏运行设备,对电网及用户造成不必要 的经济损失。 图8 10 kV母线电压波形 Fig.8 Voltage waveform of10 kV bus 图9 10 kV母线端负荷电流波形 Fig.9 Load current waveform of10 kV bus 3结论 上面的仿真结果表明: 1)系统无功补偿的容量需要根据系统运行 方式及用户的具体情况,首先经过初步计算决定, 以免产生过补偿,这样既浪费资金,又产生不必要 2012年第2期 ・无功补偿・ 黄时细,等基于MATLAB仿真的无功补偿应用研究 (总第140期) 的设备损失。 352. 2)在补偿电容器投切时,需要进行投入方式 [8]鲁贵海.高压无功补偿技术及发展趋势[J].云南电 的选择,要避免一次投人过大容量的补偿装置,宜 力技术,2009(126):98—100. 逐次投入适当的补偿容量,以防止对系统及用户 [9]刘贵友,尹伊君.10kV高压系统动态无功补偿研究 产生较大的冲击电压和电流。 [J].华北电力技术,2005(11):19-21. 3)仿真结果表明对实际中的无功补偿容量的设 LIU Gui—you,YIN Yi ̄un.Study on 10kV high voltage 计确定以防止谐波放大也有实际的指导意义。 dynamic reactive power compensation[J].Noah China Electric Power,2005(1 1):19-21. 参考文献: [10]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京: 国防工业出版社,2004. 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