《无功优化与补偿》PPT课件

无功优化与补偿无功优化与补偿中国矿业大学信电学院唐轶一、功率因数的基本概念一、功率因数的基本概念n1、正弦电压电流的功率因数n 平均功率因数n 计算功率因数n 动态功率因数n2、非正弦电压电流的功率因数电力负荷曲线电力负荷曲线电力负荷曲线：表示电力负荷（功率）随时间的变化的情况的图形，绘在直角坐标上，纵坐标表示电力负荷，横坐标表示对应于负荷变动的时间。根据需要可绘成工作班负荷曲线、日负荷曲线、月负荷曲线、年负荷曲线。负荷计算负荷计算负荷曲线负荷曲线n反映负荷变化情况反映负荷变化情况n曲线所包围的面积曲线所包围的面积 为用电负荷为用电负荷n为用电决策提供依据为用电决策提供依据图2-1 日有功曲线日负荷曲线日负荷曲线2 4 6 8 10 1214 16 18 20 22 24功率小时年负荷曲线年负荷曲线426810121357911月份功率负荷计算的几个物理量负荷计算的几个物理量(一一)q年最大负荷是全年年最大负荷是全年中负荷最大的工作班中负荷最大的工作班内消耗电能最大的半内消耗电能最大的半小时平均功率小时平均功率;（计算（计算负荷）负荷）q年最大负荷利用小年最大负荷利用小时时Tmax是一个假想时是一个假想时间间,在该时间内在该时间内,电力负电力负荷按年最大负荷持续荷按年最大负荷持续运行所消耗的电能运行所消耗的电能,恰恰好等于该电力负荷全好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。年实际消耗的电能。n P(KW)(h)maxPmaxT年最大负荷和年最大负荷利用小时8760负荷计算的几个物理量负荷计算的几个物理量(二二)n负荷系数负荷系数Klo Klo=Pav/Pmn尖峰负荷和低谷负荷尖峰负荷和低谷负荷 一昼夜用户出现的最大一昼夜用户出现的最大/小负荷小负荷n计算负荷计算负荷Pca（P30）假想负荷，在该负荷下持续运行时导体的恒定假想负荷，在该负荷下持续运行时导体的恒定温升与导体流过实际变动负荷时所产生的平均温升与导体流过实际变动负荷时所产生的平均最高温升相等。最高温升相等。负荷计算就是求计算负荷负荷计算就是求计算负荷Pca,Qca,Sca和和Ica平均功率因数平均功率因数n平均功率因数计算公式为：nWwa 一段时间的有功耗电量，kWhnWre 一段时间的的无功耗电量，kVarh221cosWreWwaWwa计算功率因数计算功率因数计算功率因数：全矿610kV母线上的计算有功功率，kW 全矿610kV母线上的计算视在功率，kVA6.6.1/coscacaSP动态（瞬时）功率因数动态（瞬时）功率因数动态功率因数：有功功率与视在功率的比值，用 表示：三相电网功率计算公式：VISVIQVIP3sin3cos3cos/P Scos二、平均功率因数的优化与补二、平均功率因数的优化与补偿偿n平均功率因数过低的危害：1、功率因数过低会使电气设备的容量不能充分用。2、增加电源线路和矿内配电线路的功率损失。3、增加电网末端的电压损失，使负荷电压质量降。wcawRIP23()/XRNVP RQ XV（一般 ）对功率因数的要求对功率因数的要求n电力部门对用户的功率因数有明确的规定，要求高压供电（6kV及以上）的工业及装有带负荷调压设备的用户，功率因数应在以上；要求其他电力用户的功率因数应为以上；农业用户要求以上。n 煤矿企业总变配电所610kV母线上的功率因数要求在以上*。提高功率因数的方法提高功率因数的方法1、提高用电设备本身的功率因数，即提高自然功率因数（1）避免电动机与变压器的轻载运行。（2）对不需要调速的大型设备，尽量采用同步电动机。（3）绕线式异步电动机同步化运行。（4）尽量采用高压（610kV）电动机（节省降压变压器或减少降压变压器的容量）。2、无功补偿提高功率因数无功补偿提高功率因数方法无功补偿提高功率因数方法（1）并联移相电容器组。原理：利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减少从电网吸收的无功功率，使得补偿装置处以前的电网无功负荷减少，提高了电网功率因数。优点：投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无震动及噪声、安装地点灵活。缺点：只能有级调节，不能自动进行最佳补偿。当通风不良或电网电压超过额定电压时，电容器容易损坏。无功补偿提高功率因数方法无功补偿提高功率因数方法（2）采用同步调相机。原理：同步调相机实际为一台大容量的空载运行的同步电动机，在过励磁时，其相当于一台无功发电机。在欠励磁时，相当于一台只消耗无功的电动机。优点：可以根据电网需要无级调节无功功率。缺点：造价高，有功损耗大，需要专人管理维护等。主要用于大型枢纽变电所。u地面积大等。n（3）绕线式异步电动机同步化改善功率因数n适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿、电动机容量一般为951000kW。进相机外形与电动机相似，没有定子绕组，仅有和直流电动机相识的电枢转子，由单独的容量为左右的辅助异步电动机拖动。无功补偿区的概念无功补偿区的概念无功补偿的方法无功补偿的方法 根据 装设地点的不同，无功补偿的范围也有所不同。对煤矿企业的供电系统，电力电容器组的设置有：1、高压集中补偿。2、低压成组补偿。3、分散就地补偿。1、高压集中补偿、高压集中补偿 1）在地面变电所610kV母线上集中装设移相电容器组，一般设有专门的电容器室，并要求通风良好及配有可靠的放电设备。只能补偿610kV母线前所有向该母线供电的线路上的无功功率。2）高压集中补偿初期投资较低，由于矿井610kV母线上无功功率变化平稳，因而便于运行管理和调节，而且利用率高，还可以提高供电变压器的负载能力。2、低压成组补偿、低压成组补偿把低压电容器组或无功功率自动补偿装置装设在车间或井下动力变压器的低压母线上。它能补偿低压母线前的矿内高压电网，矿区电网和整个电力系统的无功功率，补偿区域大于高压集中补偿，本矿也获得相当的技术经济效益。低压成组补偿投资少，通常安装在低压配电室，运行维护及管理方便。3、分散就地补偿、分散就地补偿 将电容器组分别地安装在各组用电设备或单独的大容量电机处，与用电设备的停、用一致，但不能共用一套控制设备。为避免送电时电流冲击和切断电源时的过电压，要求电容器组投运时迟于用电设备，停运时先于用电设备，并设有可靠的放电装置。分散就地补偿效果很理想，除去控制开关到用电设备的一小段负荷线外，其余直到电源都可以补偿。缺点：投资较大，管理不便，利用率较低。仅适于个别容量较大且位置单独的负荷。电容器补偿要考虑的问题电容器补偿要考虑的问题1、电容器不宜频繁投切，因此，应该安装在负荷相对稳定的地方。过补偿还会增加线路的损耗。2、电容器补偿无功只能减少传输线路的损耗。3、要从补偿成本和运行维护考虑。补偿电容器组的结线方式补偿电容器组的结线方式n电容器补偿容量与所加电压的关系：n电容器采用三角形结线，每相电容承受线电压，采用星形结线时，每相电容承受相电压，补偿容量分别为：n上述说明，相同条件下，三角形结线时补偿容量是星形结线的3倍。var,/22kCVXcVVIQc22.22.Y/,var(/3)/3,varCCQVXcCVkQVXcCVk高压集中无功补偿的计算高压集中无功补偿的计算n计算方法和步骤：（1）确定全矿610kV母线上的自然功率因数。设计阶段 全矿610kV母线上的计算有功功率，kW 全矿610kV母线上的计算视在功率，kVA6.6.1/coscacaSP6.caP6.caS高压集中无功补偿的计算方法和高压集中无功补偿的计算方法和步骤步骤n已经生产的矿井中，功率因数计算公式为：nWwa 全矿月（年）的有功耗电量，kWhnWre 全矿月（年）的无功耗电量，kVarh221cosWreWwaWwa(2)使功率因数由 提高到 所需的补偿容量为：Pca 全矿610kV母线上的计算有功负荷（最大有功负荷），kW.高压集中无功补偿的计算方法和高压集中无功补偿的计算方法和步骤步骤1cos2cos12(tantan)QcPca（3）计算三相所需电容器的总台数N和每相电容器的台数n。三角形连接时，三相电容器总台数N为 每相电容器的台数为高压集中无功补偿的计算方法和高压集中无功补偿的计算方法和步骤步骤2.).(CNcVwVwoqQcN 3/Nn（4）选择实际台数*：计算出 N 值后，考虑高压电网为单相电容器，故实际取值N应为3的整数倍。如果为单母线分段变电所，电容器组应分为两组安装在每段母线上，因此N应取6的整数倍。高压集中无功补偿的计算方法和高压集中无功补偿的计算方法和步骤步骤高压集中无功补偿的计算方法和高压集中无功补偿的计算方法和步骤步骤n例题：某矿地面变电所6kV母线月有功耗电量为4106kWh,月无功耗电量为3106kvarh，半小时有功最大负荷P30=3103kW，平均负荷率。求将功率因数提高到时所需电容器的补偿容量及电容器的台数。L1L2L3QSQFTVCn解：（1）求全矿自然功率因数：高压集中无功补偿的计算高压集中无功补偿的计算8.0)103()104(104cos26266221WreWwaWwan(2)将功率因数提高到所需电容器的补偿容量为：n按电网电压，选择额定电压为，额定容量为型单相油浸移相电容器。高压集中无功补偿的计算高压集中无功补偿的计算var1008)33.075.0(1038.0)tan(tan.321kPcaarKloQc高压集中无功补偿的计算高压集中无功补偿的计算n（3）确定电容器的总数量和每相电容器数。n按三角形结线，所需电容器总数N为：n每相电容器数n为：93)3.66(121008).(22.CNcVwVwoqQcN313/933/Nn高压集中无功补偿的计算高压集中无功补偿的计算n（4）考虑煤矿变电所均为单母线分段，故实际电容器的数目应为6的整数倍，故取 N=96个。每段每相为16个。三、动态无功补偿三、动态无功补偿n1、动态无功补偿的必要性n 近年来，由于大量电力电子器件的使用，一方面大量吸收动态变化范围大、变化速度快无功功率，使电网电压波动剧烈，电能质量恶化，严重影响了同一电网其它电器设备的运行；另一方面，发出大量的谐波电流，形成电网污染。传统的功率因数补偿无法解决这一问题，必须有能快速调节无功的设备才能解决前一问题。动态无功功率补偿原理动态无功功率补偿原理n ()/XRNVP RQ XV（一般 ）OABCDEFGI1U2URIXI jUUU()/XRNVP RQ XV（一般 ）动态无功功率补偿原理动态无功功率补偿原理无功功率补偿方法无功功率补偿方法 无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法无功功率补偿方法四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n非正弦条件下的功率理论是电路理论中的重要的基础性课题。电力电子装置和设备的日益广泛使用，已使电流、电压的波形畸变成为电能质量的最主要问题。由于“电力”这一产品的特殊性，维护“绿色”电力不仅是供电部门的事，更多的工作需要用电户去做。建立一个“奖惩分明”的维护“绿色”电力的机制应该是提高电能质量、治理电力污染的最有效方法。然而，制约这一机制形成的最大技术障碍是在非正弦条件下电功率的定义。四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n非正弦条件下功率理论的重要性引来了众多学者的极大兴趣，对这一问题的争论已有80年的历史，几十年来，各种新功率定义和理论不断出现，但是都只是解决了部分以前的功率理论未解决的问题，同时又存在自身的不足或引出新的待解决的问题。这些功率理论可以归为两类：n 频域分析法和时域分析法 四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n频域分析法：n以Budeanu为代表的，建立在付立叶级数分解的基础上的频域分析法的经典无功功率理论。Shepherd、Zakihani和Emanuel等在此基础上提出了他们的观点和定义。尽管存在一些缺陷，Budenu作为频域分析的主流学派已被写入ANSI/IEEE标准1459-2000；四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n时域分析法：n以Fryze为代表的时域分析法，时域分析法的主要优点是易测量，在测量仪表和补偿装置的应用方面有优势。Kusters 和 Moore等人完善了这一理论。后来，经和 M.Depenbrock等人进一步研究、完善，逐渐形成了一个FBD理论体系。这一理论被国际电工协会IEC推荐使用。四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n20世纪80年代出现了两位对功率理论研究很有影响的学者：n1）Czanecki他提出了具有清晰物理意义的基于电流正交分解的功率理论，他将电流分解为：有功电流ia，无功电流ir，散布电流is，生成电流ig和不平衡电流iu五个电流。Czanecki的功率理论物理概念清晰，对功率理论研究，尤其是对谐波和无功功率辨析等问题的解决起到了很大的促进作用。四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n2）Akagi提出的瞬时无功理论。该理论在我国是影响最大的，它本质上属于时域分析的理论。Akagi利用了三相对称电路的功率平衡的特点，即三相对称电路的瞬时功率为常数的特点，将Park变换引入瞬时功率的计算，使补偿电流的计算在逻辑上简单化、明了化，使其在有源滤波的控制算法中得到广泛的应用。在推动有源滤波装置的应用方面做出了很大的贡献。四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n单相正弦电路功率传输)22cos()22sin()22cos(tSPtQtPPpTTdttuU021)(TTdttiI021)(;sin;cosUIQUIPUISSP/tUtusin2)()sin(2)(tIti四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n单相非正弦电路功率传输4/);sin(2)(00nnntnUtu4/);sin(2)(00mmmtmIti ,0000,00,00,000),()22cos(),()22sin(),()22cos()()(mnnmsnmmnnnnmnnnnnmnnmQmnmnnnnmnmnnmPnmnmnnnnnQPmnFStSPmnFQtnQmnFPtnPPpptitup2222;sin;sincos;cosnmnmmnnmnnnnnnnnnmmnnmnnnnnnnmmnnmnnnnnnQPIUSQPIUSIUQIUQIUPIUPmnnmnnnn;2)cos()cos(),(2)sin()sin(),(2)cos()cos(),(nmnnmSnQnPtmntmnmnFtmntmnmnFtmntmnmnF四、非正弦电压电流功率因数简介四、非正弦电压电流功率因数简介n非线性负载可以看作为一非线性负载可以看作为一组无损电动机组无损电动机-发电机组，发电机组，基波电压向电动机供电，基波电压向电动机供电，各发电机由电动机拖动，各发电机由电动机拖动，发出频率不同的、是基波发出频率不同的、是基波整数倍频率的电流（源）整数倍频率的电流（源）或电压（源）。因此，负或电压（源）。因此，负载的谐波电流或电压的能载的谐波电流或电压的能量来自电源的基波电源。量来自电源的基波电源。