C10供电系统的电能质量与无功补偿.ppt

第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-1),一、电能质量概述电能质量是指电气设备正常运行所需要的电气特性，任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差都属于电能质量问题。理想的电能质量：系统频率恒为额定频率；三相电压波形是三相对称的、幅值恒为额定电压的正弦波形；三相电流波形是三相对称的正弦波形；供电不间断。,任何与理想电能质量的偏差都属于电能质量扰动。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-2),电能质量扰动的分类：暂态扰动通常指持续时间不超过3个周波的扰动。分为脉冲型和振荡型两种。短期电压变化电压跌落、电压突升和短暂断电。长期电压变化电压幅值长期偏离其额定值；包括电压偏差和持续断电。电压波动电压幅值周期性下降和上升。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-3),波形畸变包括电力谐波、电压缺口、直流偏置和宽带噪音；三相不平衡供电电源的三相电压不对称或负荷三相电流不对称，即三相幅值不等或相角差不等于1200。频率变化基波频率偏离其额定频率，包括频率偏差和频率波动，典型的频率波动周期为10s之内。,电能质量扰动是客观存在的，它严重干扰着用电设备尤其是信息处理设备的正常运行。因此，一方面应该规定电网的电能质量扰动允许值，另一方面，用电设备也应该具有一定的电能质量扰动耐受容限。影响电压质量的主要因素：负荷无功功率或无功功率变化量。电网短路容量或电网等效电抗。负荷无功功率或无功变化量越大，对电压质量的影响越大；电网短路容量越大，则负荷变化对电网电压质量的影响越小。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-4),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-5),我国已颁布的电能质量国家标准：GB12325-1990电能质量供电电压允许偏差GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T15543-1995电能质量三相电压允许不平衡度GB/T15945-1995电能质量电力系统频率允许偏差GB12326-2000电能质量电压波动和闪变GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-6),本章主要讨论的电能质量问题：电压偏差及调节；电压波动和闪变及其抑制；电力谐波及其抑制；供电系统的三相不平衡；供电系统的无功功率补偿；,二、电压偏差及其调节1、电压偏差及其限值电压偏差是指电网由于电力负荷的变化或运行方式的改变，使系统中某点的实际电压偏离额定电压。偏离的幅度定义为电压偏差。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-7),电压偏差表示为：,产生电压偏差的根本原因,系统中的电压损失,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-8),国标规定，供电部门与用户的产权分界处或供用电协议规定的电能计量点的最大允许电压偏差应不超过：UN35kV电压正、负偏差绝对值之和为10UN10kV7220V单相供电电压+7，-10,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-9),2、变压器对电压偏差的影响变压器分接头对电压偏差的影响降压变压器的一次侧，根据容量的不同都设有若干个分接头。普通变压器只能在不带电的情况下改换分接头，对每一台变压器在投入运行前都应该选择一个合适的分接头。,如：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-10),变压器参数表示符号tap变压器的分接头位置；Uf变压器一次侧的分接头电压；UT1变压器一次侧额定电压；UT2变压器二次侧空载额定电压（零分接头和一次侧额定电压的条件下）；U20变压器二次侧空载输出电压（实际分接头和一次侧实际电压的条件下）；U1变压器一次侧实际输入电压；U2变压器二次侧实际输出电压。,变压器的分接头电压和二次侧空载输出电压分别可表示为：,显然，当同一进线电压接在不同的分接头时，二次电压对电网额定电压的偏差量则不同。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-11),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-12),当在变压器一次侧分接头上所加电压为U1时，单纯由变压器分接头调整而引入的电压偏差Uf%为：,变压器中的电压损失,变压器引起的电压偏差考虑变压器的电压损失和分接头调整后，变压器一次侧与二次侧电压之间的关系为：可得由变压器本身所产生的总的电压偏差量：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-13),3、电压偏差的计算,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-14),如图所示，设电源母线上的电压偏差量为UA%，线路l1的电压损失为Ul1%，变压器引起的电压偏差量为UT%，低压线路l2的电压损失为Ul2%，,则B、C、D各点的电压偏差分别为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-15),将上述概念推广到任一供电系统，如果由供电电源到某指定地点有多级多压或装有调压设备，则指定地点的电压偏差可由下式计算,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-16),4、电压偏差的调节调节电压的目的是要在正常运行条件下，保持供电系统中各用电设备的端电压偏差不超过规定值。,电压调节的方式通常选择电网的电压中枢点（发电厂、区域变电所或用户总降压变电所）作为电压调节点，对其电压进行监视和调节。中枢点调压方式有常调压和逆调压两种。常调压无论负荷怎样变化，维持中枢点电压恒定。逆调压最大负荷时，升高中枢点电压；最小负荷时，降低中枢点电压。,电压调节的方法对于用户供电系统，电压偏差调节主要从降低线路电压损失和调整变压器分接头两方面入手。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-17),合理设计供电系统，减小线路电压损失,高压深入负荷中心供电；配电变压器分散设置到用电中心；按允许电压损失选择导线截面；用电缆替代架空线路；设置无功补偿装置等。,2）合理选择变压器的分接头变压器的分接头电压应满足下列条件：最大负荷时最小负荷时根据上述要求，应就近选取标称的分接头。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-18),设计中取,选取最接近的标称分接头电压。,例6-1某变电所装设一台10MVA变压器，变压器变比为KT=11022.56.6kV。在最大负荷下，高压侧进线电压为112kV，变压器折算至高压侧的电压损失为5.63；在最小负荷下，高压侧进线电压为115kV，变压器折算至高压侧的电压损失为2.81。要求变电所低压母线的电压偏差为额定电压6kV的：最大负荷时0，最小负荷时+7.5。试合理选择该变压器的分接头。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-19),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-20),解：,最大负荷时,最小负荷时,确定分接头电压,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-21),结论：选取+5分接头，分接头电压为115.5kV。,则：,校验：,最大负荷时：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-22),最小负荷时：,故选择5的分接头电压，在最大负荷时，变电所低压母线的电压偏差不低于0；在最小负荷时，变电所低压母线的电压偏差不高于7；因此，满足调压要求。,三、电压波动和闪变及其抑制1、定义电压波动：电网电压幅值（或半周波方均根值）的连续快速变化。将电网电压每半周波的方均根值按时间序列排列，其包络线即为电压波动波形;电压波动波形上相邻两个极值之间的变化过程称为一次电压变动;电压变动的电压变化率应不低于每秒0.2;当电压向同一方向变动时，若本次变动结束到下一次变动开始的时间不大于30ms，只算作一次变化。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-23),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-24),t1t2和t2t3各为一次电压变动;t6t7间的电压变化()不计为电压变动；t4t5间的电压同方向变化间隔小于30ms,计为一次变动。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-25),电压变动幅度d用各次电压变化量与电网额定电压之比来表示。即：,电压变动频度r是指单位时间（1h或1min）内电压变动的次数。电压从高到低或从低回到高的变化，各算一次电压变动。因此，对于周期性的电压波动而言，电压变动频度是电压波动频率的2倍。,电压波动用电压变动幅度d和变动频度r来综合衡量。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-26),电压波动是由波动负荷的剧烈变化引起的。大容量负荷的剧烈变化在供电系统阻抗上引起电压损失的变化，从而引起各级电网电压水平的快速变化。设供电系统中某一评价点的电力负荷由(P+jQ)变化为(P+P)+j(Q+Q)，则负荷变化在该点引起的电压变动值为：结论：在冲击性负荷下，电压变动值与负荷的无功功率变化量成正比，与电网的短路容量成反比。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-27),证明:,(由于冲击性负荷PQ),(设UN=Uj),(R、X电源至评价点的电阻、电抗),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-28),由于电压波动是用户中的波动负荷从电网取用快速变动的功率而引起的（典型的波动负荷有炼钢电弧炉、轧机、电弧焊机等）。根据负荷的变化特征，电压波动可分为：电压变动频繁且具有一定规律的周期性电压波动，如电力电子装置供电的轧钢设备产生的电压波动。电压变动频繁且无规律的随机性电压波动，如炼钢用交流电弧炉产生的电压波动。偶发性的电压波动，如电动机起动时冲击电流引起的电压波动。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-29),电压波动的允许值,实测条件采用负荷的最大无功变化量和电网的最小短路容量。实测值的95概率大值与限值比较；,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-30),电压闪变:照明用白炽灯对电压波动特别敏感，电压波动使灯光闪烁，刺激眼睛，干扰人们的正常工作，电压波动的这种效应称为电压闪变。2、电压波动和闪变的估算波动负荷引起的电压波动和闪变通常以实测结果作为评价的依据。但在设计的初始阶段，电压波动和闪变可按下述方法估算。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-31),1电压波动的估算根据波动负荷的功率变化量估算出电压变动值。,2周期性矩形（或阶跃）电压波动的闪变估算对于周期性等间隔的矩形（或阶跃）电压波动，当已知电压变动值d和电压变动频度r时，首先按照r查出与单位闪变曲线（Pst=1）相对应的电压变动dlim，则相应的短时电压闪变Pst可估算如下：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-32),周期性矩形波（或阶跃波）电压波动的单位闪变曲线,3非周期性阶跃电压波动的闪变估算对于非周期性阶跃电压波动(要求相邻两次电压变动之间的时间间隔不小于1s)，首先求出最严重的10min测评时段内每一次电压变动d所对应的闪变时间tf，然后计算该10min时段内各次闪变时间之和，则求出该时段内的短时电压闪变值。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-33),例6-2某阶跃波动负荷在10min工作周期内，在公共连接点产生了12次4.8的电压变动，30次1.7的变动和100次0.9的变动，试估算该负荷引起的电压闪变水平。解：每种电压变动的闪变时间为对应于d4.8%，得tf=2.34.83=254.4s对应于d1.7%，得tf=2.31.73=11.3s对应于d0.9%，得tf=2.30.93=1.7s总闪变时间为：短时电压闪变值为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-34),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-35),4电动机起动引起的电压波动的估算大容量电动机起动时，会在配电母线上引起短时的电压波动，只要该波动不危及供电安全并能保证电动机正常起动，可以允许电机配电母线上有比较大的电压波动值。电动机起动时配电母线上的电压应满足:1)一般情况下，电动机频繁起动时不应低于母线额定电压的90，电动机非频繁起动时；不宜低于额定电压的85。2)配电母线上未接照明负荷或其它对电压下降较敏感的设备且电动机非频繁起动时，不应低于母线额定电压的80。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-36),电动机起动时引起的电压波动估算,系统如图所示：选取母线额定电压为基准电压，则电动机起动前母线电压标幺值为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-307),若设电源电压在电动机起动前后保持不变，则电源电压标幺值表示为：,在电动机起动瞬间，电动机回路等效电抗为Xst,则电动机起动时配电母线电压标幺值为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-38),式中：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-39),故电动机起动时，电动机端电压为：,电动机起动时，配电母线上电压波动（电压突降）为：,分析表明：电动机起动时，电动机前串的电抗值越大，配电母线电压波动越小；但电动机端电压越低。即串电抗器可以减小电压波动，但电动机端电压降低，起动转矩也相应降低。（电抗器值合理选择）,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-40),例1：一台2500kW同步电动机，采用变压器电动机组方式起动，如图所示。已知10kV母线短路容量为81MVA,试求电动机起动时电动机的端电压。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-41),解：设电动机起动前10kV母线电压为额定值，即：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-42),结论：该电动机起动时，母线电压为额定电压的82.2，加在电动机端子上的电压仅为额定电压的57。电动机前串接的变压器为隔离变压器，目的是抑制电动机的起动电流对电网的影响，若不串变压器，则有：,即：母线电压为额定电压的76。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-43),例2：某高压电动机供电系统如图所示，设电动机起动前母线电压为额定值，要求电动机起动时6kV母线电压水平不得低于额定电压的85，试求：若电动机全压起动，母线电压水平能否满足要求？若采用串联电抗器降压起动方式，试选择满足母线电压要求条件下的电抗器电抗值。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-44),解：依题意有,(1)全压起动时,0.85,全压起动不满足母线电压水平要求。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-45),（2）串联电抗器降压起动,由,求得,采用串联电抗器后，电动机起动时，电机端电压为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-46),电动机直接起动容量估算设电动机直接起动时母线电压为额定值，即：,由于此时,则电动机起动瞬间母线电压波动值为：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-47),若近似认为供电电源为无穷大功率电源，配电变压器容量为SN.T，变压器阻抗电压百分数为uk%，并设配电母线上其它负荷的无功功率为变压器额定容量的60（QL=0.6SN.T),则电动机起动瞬间母线电压波动值为：,依上式可求出，在配电母线电压波动值约束条件下的直接起动电动机容量PN.M和配电变压器容量SN.T之间的关系。即：,参阅P169表64,5、减小电压波动和闪变的措施,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-48),提高供电系统短路容量,(1)提高供电电压。(2)采用双回线路并联供电。(3)采用线路串联补偿，降低输电线路电抗，或动态补偿线路压降。,减小波动负荷的无功功率变化量,(1)改善工艺，减小负荷波动。(2)改变波动负荷供电回路参数（如串电抗器等）。(3)采用动态无功功率补偿装置（SVC）。,图示为TCR型SVC主回路及其工作原理图。设负荷无功功率变化量为QL,利用晶闸管的相位控制TCR的无功功率QLR对应QL相反的变化量，使（QLR+QL)为一恒定的感性无功，电容器支路产生的容性无功QC与（QLR+QL)相互补偿，从而使系统的无功功率QS基本保持恒定。,TCR型静止无功补偿器的主电路结构和调节原理a)主电路结构b)TCR无功电流调节原理示意图,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-49),四、电力谐波及其抑制,1.谐波基础1）谐波定义国际上现在公认的谐波定义为:谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。在供电系统中，除整数次谐波外，还存在有谐间波。谐间波是指那些频率不是基波频率整数倍的谐波分量。在电力系统谐波中，谐间波的成分较小。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-50),2）谐波发生源具有铁磁饱和特性的设备（变压器、电抗器）；具有电弧特性的设备（交流电弧炉、弧焊设备）；各种电力电子设备（变流装置、电力机车、家用电器）；电力系统：包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流换流站的可控硅元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。电力负荷：电力系统谐波更主要的来源是各种非线性负荷用户。对于谐波电流含量只决定于其本身的特性和工况，基本上与电力系统参数无关的谐波源，可看作谐波恒流源。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-51),P172、173表65、66、67,3）谐波危害产生谐波附加损耗，使设备过热以及谐波过电压加速设备绝缘老化等并联电容器与系统等效电抗可能在某次谐波附近发生并联谐振，导致谐波电压和谐波电流的严重放大引起继电保护和自动装置误动作影响电能计量精度影响通信质量,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-52),2谐波的评价计算与限值1）评价计算（1）单次谐波含有率h次谐波含有率定义为第h次谐波分量方均根值与基波分量方均根值之比，即：（2）总谐波畸变率总谐波畸变率则定义为谐波含量与基波分量方均根值之比，即：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-53),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-54),2）谐波限值（P175表6-8）各级电网电压下的谐波电压限值,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-55),各级电网电压下用户注入到公共连接点的谐波电流允许值,当电网公共连接点的实际最小短路容量Sk与表中的基准短路容量Sj不同时，实际允许注入电网的谐波电流限制应按下式修正。,3.供电系统谐波分析计算1）供电系统各元件谐波等效模型供电系统各元件谐波等效模型是谐波分析的基础和关键，在分析计算中，通常近似认为：式中:X、Xh分别为元件基波和h次谐波感抗；XC、XCh分别为元件基波和h次谐波容抗；R、Rh分别为元件基波和h次谐波电阻；,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-56),（1）系统谐波阻抗式中：Sk系统对该点的短路容量，UN网络额定电压，Xs1基波电抗。（2）供电线路（3）变压器(双绕组）（4）并联电容器（5）电抗器（6）电力负荷:,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-57),2）系统等效电路及其谐波分布分析将供电系统各元件的等效模型按系统联接关系逐一替换，即可得系统等效电路，供电系统在基波和h次谐波下的等效电路的一般结构如图所示：,供电系统等效电路一般结构a)基波等效电路b)谐波等效电路,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-58),第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-59),在构建谐波近似计算等效电路时，应注意：以谐波源为电源中心，按照实际电路构成。此时系统电源不再是以电源的形式出现，而是以谐波源负载阻抗的形式出现。电路元件可用有名值计算，也可用标幺值计算。在含有不同电压等级的供电系统谐波计算中，应注意参数的归算问题。在一般的近似计算中，元件的电阻均可忽略。但当系统中的某一部分发生或接近并联（或串联）谐振时，电阻的影响就不能忽略。在谐波的近似计算中，首先必须求出谐波源注入系统总的谐波电流。再根据谐波作用等效电路计算系统各支路的谐波电流和各节点的谐波电压分布。,4.并联电容器对谐波的放大作用1）电容器对谐波的放大作用下图所示为供电给整流装置的供电系统简图及其等效电路。,整流装置供电系统简图,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-60),由等效电路可得：令电容器对谐波是否具有放大作用，取决于系数Kh的大小。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-57),2）谐波放大的防止与消除若在电容器回路串接一个电抗器，通过选择电抗值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性，则可消除谐波放大现象。,图6-22串联电抗器防止谐波放大,为避免谐波放大，串联电抗器的电感量L应满足下式关系：式中XLR串联电抗器等效基波电抗；XC并联电容器组等效基波容抗；hmin谐波源最低次谐波的次数。考虑到电抗器和电容器的制造误差，通常取：,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-58),5.谐波的抑制首先应考虑采用新技术或新装置，尽量减小谐波源设备的谐波发生量。减小谐波源设备谐波发生量的主要方法有：增加整流装置的相数采用PWM整流器改变供电系统的运行方式如果谐波仍然超标，应装设滤波器。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-59),1）无源滤波器无源电力滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器连接而成。利用电抗器与电容器的串并联谐振来达到抑制谐波的目的。无源滤波器也称调谐滤波器。单调谐滤波器：双调谐滤波器高通滤波器一套无源电力谐波滤波装置通常包括多组单调谐滤波器和一组高通滤波器。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-60),缺点：失谐，产生原因有：电网工频频率的偏差组成滤波装置的元件本身误差环境温度的变化对元件参数的影响滤波器成组的配合精度等为了防止滤波器失谐引起谐波放大，单调谐滤波器通常采用偏调谐设计方法。在选择滤波器参数时，使滤波器的理论谐振频率低于谐波频率约6。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-61),2）有源滤波器有源电力滤波器是一种广谱滤波器，能够滤除多种谐波分量，目前可以滤除25次以下的谐波。有源滤波器具有如下优点：高度可控性和快速响应性滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险，可以重置自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-62),并联型有源电力滤波器的原理结构,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-63),就目前的实际情况而言，由于受电力电子器件和装置工艺的限制，有源滤波器的耐压和容量还非常有限，只限应用于中低压系统。此外，有源滤波器的单位容量成本较高，也是限制其推广应用的一个因素。无源滤波器与有源滤波器各有其优缺点。无源滤波器容量大、简单可靠、成本低，但滤波性能较差；有源滤波器滤波性能好，但装置容量有限、电压水平低、成本高。因此，将有源滤波器与无源滤波器有机地结合起来，形成了混合滤波器，在技术和经济两方面将是一个比较好的折中方案。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-64),第五节供电系统的三相不平衡1.三相不平衡的概念与危害在三相正弦系统中，当三相相量间幅值不等或相位差不为120时，称三相不对称或三相不平衡。原因：三相负荷不对称所引起。危害：1）感应电动机：降低输出转矩产生负序电流2）变压器：不能充分利用3)变流装置：产生非特征谐波4）增大线路中功耗,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-65),2.三相不平衡度的计算及其限值1）不平衡度定义式中U%、I%分别为三相电压和电流的不平衡度；U1、I1分别为电压和电流的正序分量方均根值；U2、I2分别为电压和电流的负序分量方均根值；在三相电源及负荷对称的系统中，由于在某一相上增设了单相负荷而引起的三相电压不平衡度也可按下式进行估算:SL(1)单相负荷的容量；Sk(3)计算点系统三相短路容量。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-66),2）限值电力系统公共连接点正常不平衡度允许值为2，短时不得超过4；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3。3）解决途径合理分配和布局单相用电负荷；采取补偿装置，补偿系统中的不平衡负荷。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-67),单相用电负荷在三相系统中容量和位置的不合理分布是造成三相不平衡的主要原因之一。在设计供电系统时，首先要将单相负荷平衡地分布于三相中，同时要考虑到用电设备功率因数的不同，尽量兼顾有功功率与无功功率均能平衡分布。在低压系统中，各相安装的单相用电设备其各相之间容量最大值与最小值之差不应超过15。当采用合理分布的方法达不到指定指标要求时，采取以下措施：将不对称负荷连接在短路容量较大的系统对不平衡负荷采用单独的变压器供电采用平衡电抗器和电容器组成的电流平衡装置采用特殊接线的变压器,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-68),第六节供电系统的无功功率补偿1.无功功率与功率因数1）无功功率无功功率定义为电路中电感元件和电容元件在一个工频周期中所吸收的最大功率U、I分别为三相线电压和电流的有效值特征：感性无功功率与容性无功功率可以互补分类：基波正序无功功率、基波负序无功功率、各次谐波的无功功率。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-69),2）功率因数式中，P为三相有功功率，S为三相视在功率。上式既适用于三相正弦对称系统，也适用于三相非正弦系统或三相不对称系统。对于正弦系统，每相的功率因数定义为该相电流与电压的相位差的余弦值cos，通常也称为位移因数。对于非正弦系统，通过傅立叶变换可以得到各相的基波位移因数。在对称的三相正弦系统中，三相功率因数相等，即三相总功率因数等于各相的位移因数。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-70),2、无功补偿的意义与途径无功功率低下的影响：（1）增大输电线路中的电流，产生额外的电能损耗（2）增大系统供电容量，降低了线路和变压器的利用率（3）增大了线路电压降，降低了电网的电压质量无功补偿意义：（1）节能降耗（2）降低供电系统的投资费用（3）调节和稳定电压无功补偿途径：（1）提高用电设备的自然功率因数（2）就近装设无功补偿装置,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-71),3、无功补偿的方式按照无功补偿容量的调节方式分为动态补偿和静态补偿。按照无功补偿装置的安装地点分为就地补偿和集中补偿。4、无功补偿容量的确定补偿容量的估算方法：（1）按提高功率因数确定补偿容量（2）按抑制电压波动和闪变确定补偿容量（3）按调整运行电压来确定补偿容量式中，Sk为补偿装置安装点的系统短路容量,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-72),5.无功补偿装置的类型按照补偿装置与被补偿设备的连接关系：并联型和串联型。按照补偿装置中调节机构：静止开关型和机械开关型。按补偿原理：无源型和有源型。无源补偿装置等效为一个固定或可控的电容器或电抗器，有源补偿装置则等效为一个可控的无功电流发生器。并联无源型补偿装置的补偿原理是，在控制系统作用下，使补偿装置的等效电抗与负荷电抗大小相等而性质相反。并联有源型补偿装置的补偿原理是，在控制系统作用下，使无功电流发生器发出的无功电流与负荷无功电流大小相等而相位相反。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-73),1）常规无功补偿装置补偿装置由电容器组、电容器支路保护和投切开关、自动补偿控制器等组成。图中，断路器作为过电流保护和检修隔离开关，接触器作为电容器的投切开关，由无功补偿自动控制器控制，电容器作为感性无功功率的补偿设备，自动控制器根据控制目标实现各组电容器的投切控制。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-74),常规补偿装置的缺点：（1）投入时刻不能精确确定，导致投入时在电容器中产生很大涌流；（2）切除时刻不能精确确定，导致切除时在开关器件触头处产生电弧；（3）投切速度慢，动态跟踪补偿性能差；（4）机械开关投切次数有限，寿命短。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-75),2）静止无功补偿器SVC以晶闸管开关为代表的静止无功补偿器SVC，实现了电容器投切时刻的准确控制，解决了投入涌流和切除电弧问题，实现了快速投切和补偿无功的连续调节。SVC电路结构分为：晶闸管投切电容器TSC和晶闸管控制电抗器TCR。TSC只能有级地调节补偿无功功率，而TCR可以连续调节补偿无功功率。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-76),TSC的基本结构如右图所示。通过控制晶闸管的开通时刻，可以实现投入无涌流。由于晶闸管在电流过零时自然关断，因而切除时亦无过电压（电弧）产生。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-77),下图列出了电容器初始电压不同的情况下使电容器投入电流最小的几种可能时刻：电源电压瞬时值与电容器当前初始电压相等时。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-78),TCR型SVC是利用晶闸管相位控制，连续调节电抗器支路在一个工频周期中的接通时间，实现了补偿无功功率的动态连续调节。由于负荷通常是感性的，因而，TCR常与固定电容器支路FC并联，一起构成双向无功补偿装置。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-79),TCR无功电流调节原理示意图,可以看出，调节晶闸管的触发角可以连续调节无功补偿电流的大小，而且晶闸管触发角的控制范围为90180。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-80),TCR支路电流是周期性的非正弦波，即TCR在系统中会产生一定的谐波干扰。从无功补偿的角度，通常主要关注基波无功功率。TCR基波无功电流与触发角的关系，如下式所示：式中，为晶闸管在半个基波周期的导通角，BTCR为TCR的等效基波电纳。由于三相TCR支路可以分相控制，因此，TCR与FC混合而成的SVC具有平衡三相不对称负荷的能力。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-81),TCR型SVG缺点：产生较大的谐波；补偿容量受到电源电压的影响；当电源电压较低时，补偿容量明显下降。,TCR型SVC的伏安特性曲线,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-82),3）静止同步补偿器静止同步补偿器STATCOM是交流柔性输电系统FACTS的一个重要组成部分。由于它将PWM控制的电压源逆变器技术应用到无功补偿领域，不需要大容量的电容、电感等储能元件，因而大大发展了传统的无功控制概念。与SVC相比较，STATCOM具有谐波含量少、控制能力强、同容量下占地面积小等优点。应用于配电系统中的STATCOM则称作配电系统静止同步补偿器DSTATCOM，主要用于中低压系统无功功率的动态补偿。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-83),图6-33DSTATCOM的原理结构,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-84),在理论分析中，假设直流侧电压稳定，则可把电压源逆变器看作一个与电源电压同频率的交流电压源，如下图所示：在理想情况下，电压源逆变器输出一个与电网电压uS同频同相的三相正弦电压uc，从而通过滤波电抗器产生纯无功补偿电流ic。调节逆变器输出电压uc的幅值大小，可以调节无功补偿电流ic的大小和性质，达到双向连续调节无功功率的目的。,DSTATCOM的等效电路,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-85),实际上，电压源逆变器在工作过程中必然伴随着能量损耗，滤波电抗器也存在一定电阻，因而，uc与uS之间不再同相，而是必须保持一定的相移角，以便由电网来补充补偿装置中的能量损耗。下图为DSTATCOM的等效电路的相量图：逆变器等效为一个无能量损耗的与电网电压同步的正弦电压源，其输出正弦电压的大小及其与电网电压之间的相位差受到控制系统的控制。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-86),由等值电路可得DSTATCOM的稳态功率表达式：当ucuS时，DSTATCOM向系统发出容性无功。根据DSTATCOM输出无功电流的误差，调节控制角或电压源逆变器的PWM调制深度，可以调节DSTATCOM输出无功功率的大小和方向。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-87),DSTATCOM补偿电流从容性突变到感性的过渡过程,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-88),6.无功补偿装置的发展1）主电路的发展提高无功连续调节的程度；提高无功调节的响应速度；具有分相补偿或平衡三相不对称负荷的能力；不受谐波的干扰或具有抑制谐波的功能；补偿容量不受电网电压变化的影响。2）控制器的发展应用计算机控制技术；采取更为复杂的控制策略和完善的监控措施；提高控制的精度；实现复合控制功能。,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-89),无功补偿装置的性能比较,第六章供电系统的电能质量与无功补偿(6-90),