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1.2负荷补偿的目的

负荷补偿就是对无功功率进行调度以改善交流电力系统的供电质量。负荷补偿这一术语使用在那些为某一负荷或某组负荷而实行无功功率调度的场合，在这种场合，补偿设备往往安装在靠近负荷的用户建筑物中，所使用的技术乃至于补偿的若干目的与大电力系统的补偿（输电补偿）是有重大差别的。

负荷补偿的目的有三:

1.功率因数校正。

2.改善电压调节。

3.负荷平衡。

我们将持以下的观点：即使是电源电压很“硬”（即完全与负荷无关，保持常量），校正功率因数与平衡负荷也是需要的。

所谓功率因数校正通常是指应尽可能在靠近需要无功功率的负荷处产生无功功率，而不应向遥远的电站去取用无功功率。大多数工业负荷的功率因数是滞后的，就是说它们吸收无功功率。所以负荷电流大于单纯供给有功功率时的值。在能量转换过程中，有功功率才是真正有用的，多余的负荷电流，对用户而言只是一种浪费。因为用一户不仅要为多余的输电电缆容量付钱，而且要为电力电缆中多余的焦耳损耗付钱。电业部门同样不希望从发电机向负荷输送不必要的无功功率，否则，一方面他们的发电机和配电网络得不到充分有效的利用，另一方面，电网电压的控制也会变得更为困难。因此，多年来对低功率因数负荷的用户实行惩罚性的收费标准，其结果是为各类工厂研制出了大量的功率因数校正系统。

在负荷对无功功率的需求不断变化的情形下，电压调整就变成一件重要的甚至是关键的事情。所有负荷的无功功率需求都是变化的，虽然变化的范围和变化的速率很不一样。在所有的情祝下，负荷对无功需求的变化，会引起电源点电压的变化（或调整），这可能影响到与该点连接的工厂的运行效率，导致不同用户的负荷河的互相干扰。为了防止发生这种事情，法令规定电力公司必须保持电源电压的变化在指定的限度内，一般是（在几分钟或几小时内的平均值），但在某些场合，比如当大幅度的急剧的负荷变化所产生的电压降会危害保护设备的运行或产生损害视力的闪烁的情况下，这个限度就比要小得多。补偿设备在完成使电源电压维持在预期的限度内这一任务中，起了十分重要的作用。

最显而易见的改善电压调节的办法，是增加发电机的容量与台数和使网络连接更加紧密以加强电力系统。一般来说，这种方法将是不经济的，并将带来运行上的一些问题，例如高的故障水平和大的断路器额定容量。改普电压调整的更为实用和经济的办法，是根据负荷要求的最大有功功率来确定电力系统的规模，而用补偿器和其他设备来处理无功功率，这些设备调度起来比发电机更为灵橇，且又不会增大故障水平。

负荷补偿第三个主要目的是平衡负荷。大多数交流电力系统是三相的，并且是设计在平衡条件下运行的，不平衡运行会引起负序和零序电流分量（不正常相序电流分量）。这些分量可能引起人们不希望产生的效应：如电动机和发电机中的附加损耗，交流电机中的振动力矩，增加整流器中的纹波，若干设备的不正常工作，变压器饱和和过大的中线电流。某些设备（包括几种补偿器）依靠平衡运行来消除三次谐波。在不平衡条件下，三次谐彼便会出现在电力系统中。

电源电压中的谐波分量是评价供电质量的一个重要参数。谐波的频谱全部高于工频基波，这是其特点二谐波常用滤波器来加以限制，但滤波器的设计原则不同于本章中将要研究的补偿器的设计原则。然而，谐波问题却往往与补偿问题同时产生，常见的参考文献都是针对谐波及其滤除而写的。还有，许多补偿器本身就产生谐波，必须在内部加以消除威在外部加以滤除。

1.3理想补偿器

概括地指出了负荷补偿的主要目的之后，现在就可以来介绍理想补偿器的概念了。理想补偿器是一种可以连接在某一供电点(例如与负荷并联)的装置，其主要功能有三：(1)将功率因数校正到1；(2)消除(或减小到可接受的水平)电压调整；(3)平衡负荷电流或相电压。我们并不期望理想补偿器消除负荷电流和电源电压的谐波畸变(这应该由适当的滤波器来完成)，不过理想补偿器本身不应该产生过大的谐波。理想补偿器还应有另一个特性，即它在完成上述三个主要功能时，有瞬时响应的能力。严格来说，瞬时响应这个概念要求定义瞬时功率因数和瞬时相位不平衡。理想补偿器还应该不消耗有功功率，即它应该是无损耗的。

理想补偿器的三个主要功能是互相关联的，特别是功率因数校正与相位平衡本身将有助于改善电压调整。的确，在某些场合，特别是在负荷变化缓慢或不经常的场合，并不要求设计用来校正功率因数或相位平衡补偿器夫完成任何指定的电压调整功能。

理想补偿器还可以更为精确地详细说明如下，即它必须：

1.根据负荷的要求，无延迟、可控、精确地提供所需的无功功率。

2.其端电压具有恒定的特性。

3.三相可独自运行。

由供电部门和用户根据以下因素共同提供补偿且各负其责。这些因索包括:负荷的大小、性质和预计的发展，现行的国家标准，当地的实践经验，其他用户受影响的程度。通赏的做法是用户负责校正功率因数使负荷电流平衡大多敬供电收费标准的确都要求用户这样做。至于电压调整则往往是供电部门的事。

1.4实际考虑

1.4.1要求补偿的负荷

一个给定的负荷在穗态下是否需要校正功率因数，这是一个经济间题，其答案与许多因索有关电价，负荷的大小及其未经补偿的功率因数值。对大的工业负荷来说，如其未经补偿的功率因数小于0.8，则功率因数校正在经济上是划算的。

不仅为了校正功率因数，而且也为了电压调整，对引起供电电压脉动的负荷必须进行补偿。并在“基准点”或“公共连接点”(PPC)确定电压变化的程度。所谓公共连接点通常是指网络中用户管辖区一与电力部门管辖区的交界处，比如向某一工厂供电的配电变压器的高压侧。

电弧炉毛感应炉、电焊机、感应焊机、轧钢厂、矿井卷扬机、特大型电动机(尤其是频繁起停者)、露天采矿的挖掘机、锯木厂和需要供给脉冲大功率电源的高能物理实验(如同步加速器)等都是需要补偿的典型。这些负荷分成两类:一类负荷在运行过程中本来就呈现非线性，一类负荷当它们投人和切除时引起干扰。非线性负荷通常产生谐波，也引起基频电压的变化。所以，例如电弧炉补偿器实际上总是包括有滤波器，通常是滤掉3次、5次和7次谐波，往往也要滤掉2次、4次、11次以及13次谐波。

在一个工厂中，如果部分原动机采用同步电动机来代替感应电动机，则功率因数和电压调整二者均能得到改善，这是因为同步电动机的输出(或吸收)无功功率是可以改变的。由于其转子的旋转质量，同步电动机也存贮着动能，这有助于电力系统承受突然接人负荷的冲击。在许多场合下，软起动不会造成电压降。所谓软起动，就是电动机通过一个可调节的变压器来起动，或通过一个具有分级起动设备的电子起动器来起动。

对工作于“断续”工作制的大型直流电动机，现代的趋势是使用可控硅控制器，它们本身就使补偿问题更趋严重，因为他们产生谐波，要求无功功率来整流，而且无转动惯量。

根据下列各项对负荷的说明，就可以形成补偿必要性的基本概念:

1.拖动的型式(直流或交流，可控硅馈电或变压器馈电)。

2.以有功和无功功率藉要量表示的工作周期。

3.有功和无功功率的变化率(或者说有功和无功功率从最小值变化到最大值所需要的时间)。

4.谐波的产生。

5.在多负荷的工厂中，最大有功和无功功率需求的同时性。

1.4.2负荷补偿器的技术条件

当拟订负荷补偿器的技术条件时，必须考虑的参数和因素总结于下表。不打算使该表变得很完整，只列出实践中需考虑的一些重要事项。

1.最大连续无功功率(包括产生和吸收的无功功率)需求。

2.过负荷率和持续时间(如果可能过负荷的话)。

3.额定电压和电压变化的范围，当电压从最小值变化到最大值时，无功功率不能超过其额定值。

4.频率及其变化。

5.要求的电压调整精度.

6.对某一指定干扰，补偿器的响应时间。

7.特殊的控制要求。

8.补偿器保护设备的配置及与其他保护系统的配合，如果需要的话，还要包括与无功功率限值的配合。

9.运行一中的补偿器引起的最大谐波畸变。

10.通电程序及保护措施。

11.维护、一备件、工厂扩建或改建的可能性。

12.环境因素:噪音水平，户内/户外安装，温度、湿度、污染、风和地震等因素，从变压器、电容器、冷却系统引起的泄漏。

13.在不平衡电源电压下和/或不平衡负荷时的运行性能。

14.电缆敷设要求和布线图，电缆的引出、封装，接地。

15.可靠性与元件的裕度。

在电弧炉补偿的情况下，“改善比”或一lsquo;闪烁减少比”可能被指定为评价补偿器运行性能的一个主要指标。

1.9 不对称负荷的相平衡和功率因数校正

到目前为止，已经在每相或单相的基础上对负荷补偿问题进行了讨论，现在我们要研究负荷补偿中的第三个基本问题：不平衡（或不对称）三相负荷的平衡。

在讨论功率因数校正或电压调整时，为了建立理想补偿器的概念，我们或者用可控无功功率源或者用有恒定电压控制特性的无功功率装置作为补偿器的模型，尽管这些模型怪跟到底是等效的，但是在指定的应用场合，一种模型较之另一种可能方便得多或者更具有启发性。在研究不平衡负荷时，把负荷和补偿器二者用它们的导纳和阻抗作为模型来开始工作是很有帮助的。若同意这一观点，如同本节实际所做的那样，我们将使用Gyugyi、Otto和Putman的一篇非常好的论文中的分析方法，读者应该非常仔细地阅读这篇论文。我们将尽可能分析得全面一些，以便同时把功率校正也包括进去，因为这有助于与前面所做的分析保持连续性。尤为重要的是，用负荷和补偿器的导纳同时处理相平衡和功率因数校正，将得出一个负荷补偿的基本观点，它有别于目前已有的见解，这种观点将使人们对问题的性质有更进一步的了解。

理想补偿导纳网络

假定电源电压是平衡的，负载用图1-11的三角形连接的网络来表示，图中导纳、、是复数并且互不相等，任何不接地的星行连接负荷，通过变换都可以表示成图1-11（a）那样。假定负荷的变化相当缓慢，或者说负荷是准稳态的，那么就可以用向量分析，又假定负荷是线性的。

图1-11（a）普通的三相不平衡负荷

用一个任意的三相无源导纳来表示理想负荷补偿器，当它与负荷并联时，对电源而言，相当于一个实际的对称负荷。

图1-11（b）各相功率因数校正电纳的连接

从功率因数校正的概念入手，首先在每一负荷导纳上并联一个等于负荷电纳的负值的补偿电纳，使得负荷导纳变成纯电导，如果：

（43）

则补偿导纳便是

（44）

相似地，补偿电纳和分别并联到和上去，如图1-11（b）所示。并联后的合成负荷导纳如图1-11（c）所示，他们都是纯电导，整体功率因数为1，但是仍然不平衡。

图1-11（c）补偿后负荷不平衡但是功率因数为1

作为平衡这有功不平衡负荷的第一步，研究单相负荷，如图1-11（a）所示，三相正序线电流可如此得到平衡，即在b相和c相之间连接电容性电纳为

（45）

同时在c相和a相之间接入电感性电纳

（46）

图1-12

图1-12（b）描绘了这些情形。正序电压、、产生的线电流、、构成的向量如图1-13（a）所示。这些线电流不仅是平衡的，而且分别与各自的相电压同相，所以接电源系统的每相将提供给功率的，且无需供给无功功率。对正序电压而言，等效电路是三相接电阻器，每相电导值都为，如图1-12（c）所示。假定电压是平衡的，则总功率是，这里V是每相供电电压的有效值，总功率因数和电源每相功率因数都是1。虽然在三角形接法中各支路中的电流是不平衡的，但是在三角形中无功功率是平衡的，b线和c线间的电容器产生的无功功率等于c线和a线间的电感器吸收的无功功率，所以在电源系统中既不产生无功功率，也不吸收无功功率。

为了强调平衡与相序有关这一事实，图1-13给出了纯负序供电电压时的各线电流，尽管总功率仍然一样，电源既不产生也不吸收净无功功率，但各线电流和三角形中各支路的电流都是不平衡的，电源三相总功率因数也是不等于1的。

图1-13

剩下的bc相之间和ca相之间的纯电导可以依次用相同的办法来加以平衡，即可以用接于ac线之间的补偿电纳和接于ab线之间的来平衡。加上由式（44）及其后几个公式给定的功率因数校正电纳之后，现在三角形中每一支路都有三个并联补偿电纳，这些电纳可以相加在一起，以便得到三相三角形接法的理想补偿网络：

（47）

这是有C.P.斯坦米兹提出的，这种网络如图1-14（a）所示，最后所得到的补偿过后的负荷导纳是纯有功、平衡的，等效电路如图1-14（b）所示。这种等效电路仅对正序电压是正确的。

图1-14

如果负荷电导是平衡的，这意味着三相中的所有负荷都是要求相同的有功功率，则等等，此时补偿网络的组成不过是取消每支路负荷中的无功功率罢了。

我们可以将这种负荷补偿方法总结为以下重要原理：

1. 将一个理想补偿网络与负荷相并联就可以把任何不平衡的、线性的、不接地三相负荷变换成一个平衡的、三相有功负荷，而不会改变电源和负荷间的有功功率交换。
2. 理想补偿网络可能是顺无功的，若负荷导纳是变化的，且仍要保持完全补偿的话，则补偿网络的电纳也必须变化。

1.9.2用对称分量法分析负荷补偿

式（47）所说明的以及上面

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