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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：关于发电与输配电技术的研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年02月06日
人类步入二十一世纪时面临的重大挑战是实现经济和社会的可持续发展， 而在实现可持续发展的条件下保证现代社会可靠优质的电力供应又是紧迫的任务之一。美国工程院评出的20项“20世纪最伟大的工程技术成就”中电气化名列榜首。面向未来，电气化被称为“通向可持续发展的桥梁”。本文以此为背景，对发电与输配电技术进行深入研究，首先对课题研究背景和意义进行分析，之后对无功补偿的基本原理进行阐述。在明确相关理论基础之后对变电站内无功补偿的方法进行分析，主要包含配电站无功补偿分类、配电站无功补偿措施等内容，最后对配电网综合无功补偿进行分析，希望通过本文的研究能够为我国发电与输配电技术的研究带来具有价值的参考和借鉴。
关键词：发电；无功补偿；配电；技术
目 录
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
在电力系统中存在着大量的无功负荷。这些无功负荷由电力线路、电力变压器以及用户的用电设备产生。系统运行中流动的大量无功功率，将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重的影响着电力企业的经济效益。解决这些问题的一个有效方法就是进行无功补偿。
系统无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全、稳定与经济效益。无功不足将导致系统电压降低，用电设备不能充分利用，甚至会引发电压崩溃等一系列事故；无功过剩也会造成系统电压的恶化，从而危害系统和设备的安全，而且过多的无功设备又会浪费不必要的投资。另外，假如系统仅以发电机无功出力来平衡无功，将会有大量无功在系统中流动，使线路电压降增大、线路有功损耗增加、供电的经济性下降。总之，合理的无功电源配置能有效地降低网损，保证电压质量、预防事故发生或防止事故的扩大从而提高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性。电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗；要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。
电网中无功不平衡主要有两方面的原因：一方面是输送部门传送的三相电的质量不高，一方面是用户的电气性能不够好。这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在、在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。
现如今大部分用电设备为感性负载，自然功率因素较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需无功功率由电源送往负荷。功率因素是供用电系统的一项重要技术指标，通过合理采用无功补偿技术。可以减少无功功率在电网中的流动。
为了提高企业无功功率补偿装置的经济效益，减少无功补偿的流动，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则，以满足需要。借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因素，降低能耗，改善电网电压质量。
1.2 无功补偿的基本原理
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要消耗大量的无功功率，而提供这些无功功率途径主要有两条：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。交流电在通过纯电阻的时候，电能都转成了热能，而在通过纯容性或者纯感性负载的时候，并不做功.也就是说没有消耗电能，即为无功功率.当然实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿.
无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。
在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。
在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。
1.3 配电网无功补偿的研究现状
随着地区电网规模的不断扩大，电网结构日趋复杂，负荷迅猛增长，用户对于电压质量的要求日益增高。随着电力市场机制的引入，采取有效措施降低网损、改善电压水平，也已成为直接关系电力企业自身经济效益的课题。因此地区电网的电压无功控制问题越来越受到广大运行人员和研究人员的重视。配电网中每个变电所运行的电网呈树状。对于这种分布负荷型的电网，为了减少配电线路的功率损耗，可以采用分散补偿电容的方式对各负荷点进行无功补偿。对于地区电网来说，无功补偿装置主要是可投切的并联电容（抗）器，无功补偿的效果除取决于补偿容量外，还与补偿位置密切相关，应该怎样确定合理的补偿容量及配置点，才能使整个系统的投资运行费用最小或电压波动最小或网损最小，这是研究人员一直在探索的问题。通常的方法是按照离电源点最远的负荷优先配置电容的原则，依次对每个负荷点的电动机补偿到其最大补偿容量，这种方法简单方便，但忽视了配电网结构、负荷分布、线路属性，及影响程度等关键因素，所得的配置一般不是最好的。不同的电网，其网络结构不同，必须采取不同的控制策略。因此对电网中无功补偿容量的确定及无功电压控制策略等问题进行深入研究无论在理论上和实践上都是很有意义的。
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。降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。特别是随着电力市场的实行，输电公司（电网公司）通过有效的手段，降低网损，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性， 而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。
《国家电网公司农网“十一五电压质量和无功电力规划纲要》提出，纲要指导思想为：以公司新农村、新电力、新服务农电发展战略为指导，以安全、质量、效益为核心，坚持科技进步，全面提高农网电压无功综合管理水平，持续改善供电质量，降低电能损耗，为社会主义新农村建设提供优质、经济、可靠的电力供应。切实达到《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》的“无功补偿配制应按照分散就地补偿与变电站集中补偿相结合，以分散为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压为主；调压与降损相结合，以降损为主”的要求。
1.4 本文的主要内容
作为一个研究领域，有关发电与输配电技术的研究问题。
全文共分为四章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章变电站无功补偿分类，对配电站无功补偿分类、配电站无功补偿措施以及确定补偿容量的方法进行分析。
第三章配电网的综合无功补偿，对补偿点的确定和输配电网综合无功补偿的基本思路进行分析。
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 变电站内无功补偿方法
近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。
2.1 配电站无功补偿分类
目前我国电网中存在多种无功补偿方式，它们有各自的补偿侧重点和优缺点，下面进行简单介绍。
2.1.1 按补偿方式进行分类
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。
随机补偿的优点：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。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。
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的补偿方式。配变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，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，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。
随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
跟踪补偿是指以无功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100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。应优先选用跟踪补偿方式。
2.1.2 按补偿设备进行分类
按补偿方式可分为同步调相机、静止补偿装置、同步电动机、移相电容器等。
同步电动机：转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备（如轧钢机）等。
同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。
作电动机运行的同步电机。由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为64%左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。
移相电容器：传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。
同步调相机是特殊运行状态下的同步电机。可视为不带有有功负荷的同步发电机或是一种不带机械负荷的同步发电机。它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的需要来调节。当它过励磁运行时，将向电网发出无功功率；欠励磁运行时，将从电网吸收无功功率。
同步调相机一般装设自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出无功以维持电压，在有强励装置是，在电网故障情况下也能调整系统电压保证继电保护装置的正确动作。同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备，实际上是专门的无功功率发电机。
它的优点是可以平滑的改变无功功率的大小和方向，调整电压平滑，单机容量可以做的较大，因此无功输出容量基本不会受到限制，更重要的是，它可以有效地支撑电网的电压提高电网的稳定性。
2.1.3 按网络类型进行分类
按网络接线方式还可分为输配电网络（一般为闭式网络）的无功补偿优化和配电线路及用户（一般为开式网络）的无功补偿优化。配电网的基本结构是树状形的，为了提高可靠性，在中压系统中，通常把不同的两回中压配电线路的末端或中部连接起来构成环式网络。但是在实际应用中，为了避免产生电磁环路，简化继电保护，网络一般开环运行。
2.2 配电站无功补偿的措施
无功补偿的措施有很多种，但是它们各有优缺点，要根据实际情况具体装设。下面进行分别介绍。
2.2.1 装设无功补偿电容器
无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理地配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量。无功补偿电容器的优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便。但是，它只能补偿感性无功，且不能连续调节，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。
2.2.2 装设同步调相机
同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。
2.2.3 调整变压器分接头
调整变压器分接头档位可改善局部地区电压，有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头，而且调节范围也比较大。这样可以根据不同的负荷大小来选择各自合适的分接头，能缩小级次电压的变化幅度，也可以改变电压变化的趋势。在实际系统的运行中，由于负荷的峰谷差较大，，可能要频繁调整分接头，这会引起电压的波动。
2.2.4 装设静止无功补偿装置
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
2.3 确定补偿容量的几种方法
2.3.1 动态无功功率补偿
动态无功功率补偿指阻抗可调，其补偿容量能够快速实时跟踪负荷无功功率的变化而变化的一种无功功率补偿方式。动态无功功率补偿的最大特征就是其输出能够自动跟踪给定的控制目标。
以并联电容器为代表的静态无功功率补偿装置虽然具有简单经济、灵活方便的优点，但其缺点是采用常规接触器，进行电容投切只能进行有级调节，并且受机械开关动作时间限制，响应速度慢，不能满足对波动较频繁的无功负荷补偿要求，即不能实现对无功功率的动态补偿，还有可能与系统发生谐波放大甚至并联谐振。因此，随着电力系统和现代工业交通技术的发展，大量诸如炼钢电弧炉、电气化铁道、可逆式大型轧钢机等动态变化的非线性负荷在电力系统得到使用。这类负荷的特点是有功与无功功率随时间作快速变化，导致供电电压的波动和闪变、供电电压的波形畸变、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡。以并联电容器为代表的传统静态无功功率补偿装置已不能胜任，需要发展能对无功功率进行快速跟踪补偿的动态无功功率补偿。
2.3.2 静态无功功率补偿
静态无功补偿指阻抗固定，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入系统的方式有两种：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，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。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，串联补偿方式因为接线复杂、操作不便、对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般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、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器及其组合。并联电容器用于补偿感性无功功率，并联电抗器用于补偿容性无功功率。串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。单独使用时，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。混合使用时，一般是串联电抗器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，静态无功补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。
3 配电网的综合无功补偿
传统的分析方法中，发输电系统和配电系统完全割裂开，这有很大局限性。事实上，电力系统是发输配一体的全局电力系统，如何对发输配全局电力系统进行一体化分析。实现发输电和配电资源的共享和互补，充分发挥全局控制的潜力和效益，进一步实现面向发输电系统的能量管理系统（EMS）和面向配电系统的配电管理系统（DMS）的有机结合，具有重要的现实意义。但是，由于发输配全局电力系统的计算规模极其庞大，同时发输电系统和配电系统在电网结构、电网参数、潮流大小、计算模型上的特点差异很大。无法采用统一的算法，再加上地理上分布的发输电控制中心和配电控制中心要求全局分析能支持在线的分布式计算，因此难度较大，传统的方法无法解决这一难题，需要提出新的理论和方法。
考虑到系统中的电压地区特性，本文将全局电力系统按照不同电压等级、不同地区分级分区无功补偿单元，并且借鉴了潮流计算中的主从分裂法，考虑到了两个电网的相互影响，将不同电压等级的电网又有机的联系到了一起，开发研究了全局无功补偿计算系统。分级分区的方法将大规模全局分析问题分解为发输电分析和一系列小规模的配电分析子问题或者是不同电压等级和一系列小规模的配电分析子问题，可满足全局分析在线分布式计算的要求。
3.1 补偿点确定
通常的选择补偿点位置的方法是按照离电源点最远的负荷优先配置的原则，依次对每个负荷点补偿到其最大补偿容量，这种方法简单方便，但忽视了配电网结构、负荷分布等关键因素，所得的配置不是最好的。因此，寻求更合理的无功补偿电容配置方法无论在理论上和实践上都是很有意义。
目前研究人员进行了大量研究并提出了一些方法。如基于电压控制先导节点的确定无功源配置地点的方法，如用电力系统分区方法结合灵敏度分析来确定无功源的最佳配置地点，和基于无功补偿主导节点确定无功源最佳配置地点的方法等，各种方法都有其可行之处，也都有各自的缺点，在以后的研究中还需要不断的改进。
无功补偿装置安装地点的选择应符合无功就地平衡的原则，尽可能减少主干线上的无功电流为目标。不同电容器组最佳装设位置的计算公式如下：Li=（2i/2n+1）L式中，L为线路长度，n为电容器组数，Li为第i组电容器的安装位置，i=1……n通过测算，根据实践中经验，一条线路安装一台无功补偿柜一般安装在线路负荷三分之二处。通过合理配置无功补偿容量，选择电容器最佳装设
