供电技术第六章-供电系统的电能质量与无功补偿r.ppt

第6章 供电系统的电能质量与无功补偿,内容提要：本章主要介绍工厂供电系统的电压质量问题，首先介绍了电压的偏差及其调节，然后介绍电压波动和闪变及其抑制以及高次谐波及其抑制的问题，最后介绍了供电系统的三相不平衡。,第一节 电能质量概述第二节 电压偏差及其调节第三节 电压波动和闪变及其抑制第四节 高次谐波及其抑制第五节 供电系统的三相不平衡,第6章 供电系统的电能质量于无功补偿,第一节 电能质量概述,一、电能质量问题,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。,二、理想的电能质量,在三相电力系统中，理想的电能质量是：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。1）暂态扰动；2）短期电压变化；3）长期电压变化；4）电压波动；5）波形畸变；6）三相不平衡；7）频率变化。,三、电能质量标准,电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术、维护供用电双方合法权益的法律依据。我国已经颁布的电能质量标准有：GB 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差 GB 12326-2000电能质量 电压波动和闪变 GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差 GB/T 18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压,电能质量扰动,电能质量扰动客观存在。干扰设备，尤其是信息处理设备的运行。电网：电能质量扰动允许值；设备：电能质量扰动耐受容限。图：ITIC电压容限曲线。,电力系统频率允许偏差：正常允许0.2Hz，当系统容量较小时允许0.5Hz。系统频率通常由电力系统决定和调整,用户供电系统一般不必采取稳频措施。,四、影响电能质量的因素,电压质量是电能质量的核心。影响电压质量的主要因素有：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。,无功功率补偿既是电网节能降耗的措施，也是改善电网电能质量的措施之一。,五、改善电网电能质量的措施,高压电网,第二节 电压偏差及其调节,一、电压偏差的含义,电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差对额定电压的百分数，即,产生电压偏差的主要原因是正常的负荷电流或故障电流在系统各元件上流过时所产生的电压损失所引起的。,实际电压偏高或偏低，对运行中的电气设备会造成不良影响。,GB 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差的规定。,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的最大允许电压偏差应不超过：35kV及以上供电电压：电压正、负偏差绝对值之和为10%；10kV及以下三相供电电压：7%；220V单相供电电压：+7%，-10%。,二、变压器对电压偏差的影响,变压器通常在其高压侧设有分接头。,当在变压器一次侧分接头上所加电压为电网额定电压，即U1=UN1时，单纯由变压器分接头调整而引入的电压偏差量可按下式进行计算：,二、变压器对电压偏差的影响,1、变压器分接头对电压偏差的影响,变压器中的电压损失与线路一样，按式计算：,当 U1=UN1 时,由变压器本身所产生的总电压偏差量为,考虑变压器电压损失和分接头调整后，变压器二次电压为：,2、变压器中的电压损失,3、变压器引起的电压偏差,三、电压偏差的计算,指定地点E的电压偏差可由下式计算:,（一）电压调节的方式,对中枢点的电压进行监视和调节。,中枢点调压方式：常调压：不管中枢点的负荷怎样变动，都要保持中枢点的电压偏差为恒定值；逆调压：在最大负荷时，升高母线电压，在最小负荷时，降低母线电压。,四、电压偏差的调节,电压调节的目的：用电设备端电压偏差不超过规定值。,（二）电压调节的方法,对于电力用户的供配电系统，电压偏差调节主要以下两方面入手。,1.减小线路电压损失,2.合理选择变压器的分接头,合理地减少系统的阻抗，减少系统的变压级数；尽量保持系统三相平衡；使高压线路深入负荷中心；采用多回路并联供电；设置无功补偿装置等。,第三节 电压波动和闪变及其抑制,电压波动是指电压在系统电网中作快速短时的变化。电压波动值，以用户公共供电点的相邻最大与最小电压方均根值之差对电网额定电压UN的百分值表示，即,电压波动是由于负荷急剧变动的冲击负荷所引起。影响电气设备的正常工作。,一、电压波动和闪变的基本概念,闪变是指人眼对灯闪的主观感觉。引起灯光（照度）闪变的波动电压，称为闪变电压。,二、电压波动值的估算,1）当已知三相负荷的有功和无功功率变化量P和Q时，则可按下式计算：,式中，R、X分别为电网的等值电阻和电抗。,2）在高压电网中，由于XR，因此可按下式计算：,二、电压波动和闪变的抑制,抑制电压波动和闪变的主要措施有：,减小波动符合无功功率变化量减少负荷波动。改变波动符合供电回路参数。采用动态无功功率补偿装置。,提高系统短路容量提高供电电压。采用双回路线路并联供电。采用线路串联补偿，降低电抗或动态补偿压降。,另外为了减少无功功率冲击引起的电压闪变，国内外普遍采用一种静止无功功率补偿装置（SVC）进行无功功率补偿。这种装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面具有显著的优点。,静止无功补偿器由特殊电抗器和电容器组成，有的是两者之一为可控的，有的是两者都是可控的，是一种并联联接的无功功率发生器和吸收器。近年来，电力系统中主要应用的静止补偿器有自饱和电抗器型（简记为SR）、晶闸管控制电抗器型(TCR型)和晶闸管开关电容器（TSC型）。,第四节 高次谐波及其抑制,一、高次谐波的产生与危害,谐波对几乎所有连接于电网的电气设备都有损害，主要表现为产生谐波损耗，使设备过热以及谐波过电压、加速设备绝缘老化等。谐波对继电保护、电能计量精度等也有影响、谐波还对通信质量有影响。,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倍数，也称为高次谐波。,系统中的主要谐波源可分为两大类：含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。,如在系统和用户中存在谐波干扰，将会使系统中的电压和电流发生畸变。供电系统中的谐波源主要是谐波电流源，谐波电流通过电网将在电网阻抗上产生谐波电压降，从而导致谐波电压的产生。,二、谐波的评价估算,第h次谐波电压含有量和第h次谐波电流含有率按下式计算：,谐波电压总含量UH和谐波电流总含量IH按下式计算：,式中，Uh为第h次谐波电压（方均根值）；U1为基波电压（方均根值）；Ih第h次谐波电流（方均根值）；I1为基波电流（方均根值）。,电压总谐波畸变率THDu和电流总谐波畸变率THDi按下式计算：,谐波电压限值及谐波电流允许值的规定值可参考GB/T14549-1993电能质量 公用电网谐波。,三相整流产生的谐波,三相整流设备产生的谐波电流，其谐波次数可按如下公式求得：N=fn/f1=K*P1 公式中：N=谐波次数；fn=谐波电流频率；f1=基波电流频率；K=1，2，3，；P=整流设备的波头数（6、12、24）。例如：6 波头的整流器将产生 5，7，11，13 次谐波。三相整流设备产生的谐波电流值可按如下公式求得：In=I1/N 公式中：In=N 次谐波的电流值；I1=基波电流值；N=谐波次数。,三、并联电容器对谐波的放大作用,在供电系统中，并联电容器作为无功补偿设备已得到了广泛的应用。系统中的电容器，一方面由于其谐波阻抗小，系统高次谐波电压会在其中产生明显的高次谐波电流，使电容器过热，严重影响其使用寿命；同时电容器的切入使用也可能引起系统谐波严重放大。,对于整流装置，hmin=5，可取XLR=(56)%XC，对于含有三次谐波的系统，可取XLR=(1213)%XC。,在含有谐波的供电系统中，应注意适当选择其电容器的参数，防止其出现过电流和过电压，同时兼顾无功补偿的要求和消除谐波放大，可在电容器支路串联电抗器，通过选择电抗器值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性如图所示。,三、高次谐波的抑制,高次谐波的抑制方法：,1增加整流装置的相数,2采用PWM整流器,3改变系统运行方式,4谐波滤波器按滤波器和谐波源的串并联关系并联型串联型按滤波器的滤波原理和电路结构无源滤波器（RLC，调谐原理）有源滤波器（电压源逆变器，对消原理）,无源电力滤波器,无源电力谐波滤波器由电力电容器，电抗器和电阻器按一定方式连接而成。,无源滤波器FC,主要器件：电容器+电抗器+电阻器（可选）投切方式：手动、自动功能：纯补偿（非调谐）、补偿滤波（调谐）滤波原理：采用电力电容器串联适当比例的电抗器，形成针对某一特定频率的低阻抗滤波回路，吸收特定频率的谐波电流，补偿基波无功功率。适用场合：无功功率大、功率因数低、无功变化不频繁，具有典型特征谐波（5，7，11，13次）的工业负荷。优点：结构简单，造价低廉，适合大规模应用。缺点：响应时间长，两次投切间隔通常要几秒放电时间，不能补偿动态无功；补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平；只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；投切产生涌流及过电压会对系统会造成冲击，补偿精度低。,调谐无源滤波器,调谐(Tuned)或谐波吸收滤波器：谐振频率 fR在被吸收的谐波频率的10%的范围内；例如：fR=246Hz,吸收 5次谐波。要滤除 5、7、11 次谐波分别采用 5、7、11 次滤波器。适用于：考虑无功补偿同时需要进行谐波吸收的场所，一般谐波成份固定且无功变化不大。优点：滤波效果好；缺点：无功变化较大时，难以做到补偿与谐波治理的完美结合。,接线原理图,无源电力滤波器具有抑制电网谐波和补偿负荷无功功率的双重功能。,投资少，效率高，结构简单，运行可靠，维护方便。,基波频率下呈容性，与无功补偿要求配合。无功补偿需求电容器容量电感参数滤波器参数校验,有源电力滤波器（APF）,有源电力滤波器分并联型和串联型两种，实际应用中多为并联型。并联型有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，其主要电路由静态功率变流器（逆变器）构成，故具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。,并联型有源电力滤波器的原理结构,谐波电流的补偿,无源滤波器容量大，简单可靠，成本低；滤波性能差。有源滤波器容量有限，电压水平低，成本高；滤波性能好。混合滤波器,第五节 供电系统的三相不平衡,一、基本概念：在三相供电系统中，当电流和电压的三相相量间幅值不等或相位差不为1200时，则三相电流和电压不平衡。,三、危害：三相不平衡对供用电设备将带来危害。（1）感应电动机：负序电压在电动机中产生反向转矩从而降低了电动机的有用输出转矩；负序电压产生负序电流。（2）变压器：变压器容量不能充分利用。（3)变流装置：整流装置会产生较大的非特征谐波，进一步影响电能质量。,二、原因：供电系统的三相不平衡主要是由三相负荷不对称所引起的。电流和电压不平衡现象有短时的（一相不对称短路，断线等），也有持续的（一相非对称运行方式；以及非对称负荷等）。,五、三相不平衡的补偿：,四、三相不平衡度：三相不平衡程度通常用不平衡系数表示。,式中，U%、I%表示电压及电流的不平衡系数；U1、U2和I1、I2表示正、负序电压和正、负序电流。,首先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%。三相不平衡补偿装置采用特殊接线的变压器,第六节 供电系统的无功功率补偿,一、功率因数定义,1瞬时功率因数,监测负荷用。,2平均功率因数,调整电费用。,3最大负荷时的功率因数,确定需要无功补偿容量用。,二、无功补偿容量的确定,QN.C QcQc Pc(tan tan),稳态无功功率补偿设备，主要有同步补偿机和并联电容器（自愈式）。,三、无功补偿装置的选择,低压并联电容器装置根据负荷变化相应自动循环投切的电容器组数，在无功补偿容量QN.C确定后可根据选定的单组容量qNC来选择：,动态无功功率补偿设备（SVC）用于急剧变动的冲击负荷如炼钢电弧炉、轧钢机等的无功补偿。,四、无功补偿装置的装设位置,在用户供电系统中，有三种方式：高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地补偿（个别补偿）。,例某用户10kV变电所低压计算负荷为800kW580kvar。若欲使低压侧功率因数达到0.92，则需在低压侧进行补偿的并联电容器无功自动补偿装置容量是多少？并选择电容器组数及每组容量。,解：（1）求补偿前的视在计算负荷及功率因数,（2）确定无功补偿容量,800(tanarccos0.810tanarccos0.92),238.4kvar,（3）选择电容器组数及每组容量,初选BSMJ0.4-20-3型自愈式并联电容器，每组容量qN.C=20kvar。,取12组,补偿后的视在计算负荷,减少118.8kVA。,分组投切电容器投切控制策略缺点复合开关：机械开关与晶闸管开关并联,五、常规无功补偿装置,晶闸管投切电容器TSC晶闸管控制电抗器（TCR）采用全控型器件的静止无功发生器（SVG）也叫：静止同步补偿器(STATCOM),六、静止无功补偿装置（SVC）,晶闸管投切电容器TSC,主要器件：FC+TSC或FC+TSC+TCR功能：分组补偿电网感性无功，吸收电网中特定频段谐波电流。优点：动态跟踪无功变化，跟踪速度可达510ms，不发生过补偿、无投切振荡和无冲击投切，对三相不平衡负荷可以分相补偿。缺点：控制复杂；晶闸管的冷却系统必须带电运行，水冷运行维护成本高，风冷效率低；自身产生的谐波不可忽视，谐波治理效果不理想；产生电磁辐射污染。TSCTCR补偿器：以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。,晶闸管控制电抗器（TCR）,TCR型SVC工作原理,工作原理,SVC如图接入系统，电容器提供固定容性无功Qc，补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR 的大小，感性无功和容性无功相抵消，只要能做到系统无功Qn=Qv(系统所需)-Qc+QTCR=常数(或0)，则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采集母线的电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值(可能是0)进行比较，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。对于不对称负荷，利用对称分量法理论实现分相调节，消除负序电流,平衡三相电网。,FC+TCR,静止无功发生器(SVG)静止同步补偿器(STATCOM),所谓静止同步补偿器(STATCOM)，一般专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，其工作建立在一个静止的同步电压源的基础上。在国内，STATCOM的研究也已经开展了多年。华北电力大学利用晶闸管研制了10kVA的STATCOM装置，并进行了动模实验。东北电力学院用GTO研制出了4桥12kVA的STATCOM装置。1999年3月，由河南省电力局和清华大学共同研制的一台20MVA的STATCOM在河南省朝阳变电站并网成功。,目前STATCOM的研究重点有：(1)更大容量如100200MVA的STATCOM主电路的研究。(2)电力电子新元件的特性以及驱动电路、触发电路的研究。(3)STATCOM在异常状态下的行为以及新的保护和监测系统的研究。(4)STATCOM布点优化规划、多个STATCOM的协调控制、与其他控制器的综合控制研究。(5)STATCOM控制方法的研究。,基本原理,STATCOM的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。,STATCOM的主电路分为电压型桥式电路和 电流型桥式电路两种类型。其电路基本结构分别如图(a)和图(b)所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件，触发元件采用GTO、IGBT、IGCT等全控型器件。,STATCOM的电路基本结构(a)电压型桥式电路；(b)电流型桥式电路,STATCOM正常工作时是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压。其中直流侧为储能电容，为STATCOM提供直流电压支撑；逆变器通常为GTO逆变器，由多个逆变器单元串联或并联而成，其主要功能是将直流电压转变为交流电压；连接变压器的漏抗可以用于限制电流，防止逆变器故障或系统故障时产生过大的电流。,STATCOM工作原理图,当仅考虑基波频率时，STATCOM可以等效地被 视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率 的交流电压源，通过交流电抗器连接到电网上。如图(b)所示当UI大于Ua时，电流超前电压90，STATCOM吸收容性的无功功率；当UI小于Ua时，电流滞后电压90，STATCOM吸收感性的无功功率。,STATCOM等效电路及工作相量图(不考虑损耗)(a)单相等效电路；(b)相量图,D-STATCOM,配电系统用静止同步补偿器(D-STATCOM).主要器件：断路器、变压器、逆变器、电容器。核心器件：IGBT功能：维持系统电压恒定、谐波治理、抑制电压闪变。优点：可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿；对补偿对象的变化有极快的响应；补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节；不会引起谐振短路；精准电压控制；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。缺点：造价高昂，目前仅在大容量区域变电所使用。,无功功率补偿装置对比,无功补偿的发展,主电路提高连续调节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平衡负荷的能力不受谐波干扰或抑制谐波补偿容量不受电网电压变化影响控制器计算机控制技术控制策略控制精度复合控制,