供配电安全技术-第5讲电能质量与无功补偿.ppt

供配电安全技术第五讲 电能质量与无功补偿 中国矿业大学信息与电气工程学院电气安全与智能电器研究所刘建华 目录 一 电能质量简介二 无功补偿简介三 谐波四 电能质量及无功补偿治理 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 3 一 电能质量简介 内容及标准 GB T12325 2008电能质量供电电压允许偏差GB T12326 2008电能质量电压波动和闪变GB T15543 2008电能质量三相电压允许不平衡度GB T15945 2008电能质量电力系统频率允许偏差GB T18481 2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压GB T14549 1993电能质量公用电网谐波GB T24337 2009电能质量公用电网间谐波 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 4 一 电能质量简介 供电电压允许偏差 电压偏差计算 供电电压的允许偏差 1 35kV及以上供电电压正 负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的10 注 如供电电压上下偏差同号 均为正或负 时 按较大的偏差绝对值作为衡量依据 2 10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7 3 220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7 10 4 对供电电压允许偏差有特殊要求的用户 由供用电双方协议确定 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 5 一 电能质量简介 电压波动和闪变 电压变动特性d t 电压方均根值变动的时间函数 以系统标称电压的百分数表示 电压变动d 电压变动特性d t 上 相邻两个极值电压之差 电压变动频度r 单位时间内电压变动的次数 电压由大到小或由小到大各算一次变动 同一方向的若干次变动 如间隔时间小于30ms 则算一次变动 电压波动 电压方均根值一系列的变动或连续的改变 电力系统公共连接点或波动负荷用户引起的公共连接点电压变动限值 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 6 一 电能质量简介 电压波动和闪变 续 闪变时间t 一个有时间量纲的值 表示电压变动的闪变影响 和波形 幅值以及频度均有关 闪变 灯光照度不稳定造成的视感 短时间闪变值Pst 衡量短时间 若干分钟 内闪变强弱的一个统计量值 长时间闪变值Plt 由短时间闪变值推算出 反映长时间 若干小时 闪变强弱的量值 电力系统公共连接点各级电压下的闪变限值 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 7 一 电能质量简介 三相电压允许不平衡度 电压不平衡度允许值电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 短时不得超过4 取值见附录A 电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定 例如旋转电机按GB755 旋转电机基本技术要求 规定 接于公共接点的每个用户 引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 根据连接点的负荷状况 邻近发电机 继电保护和自动装置安全运行要求 可作适当变动 但必须满足上条的规定 用户引起的电压不平衡度允许值换算电压不平衡度允许值一般可根据连接点的正常最小短路容量换算为相应的负序电流值 为分析或测算依据 邻近大型旋转电机的用户 其负序电流值换算时应考虑旋转电机的负阻抗 有关不平衡度的计算见附录B 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 8 一 电能质量简介 电力系统频率允许偏差 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 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0 2Hz 根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值 但应保证近区电力网 发电机组和用户的交全 稳定运行以及正常供电 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 9 一 电能质量简介 公用电网谐波 总谐波畸变率 THD 周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比 用百分数表示 分为电压总谐波畸变率与电流总谐波畸变率 公用电网谐波电压 相电压 限值 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 10 一 电能质量简介 公用电网谐波 续 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 方均根值 不应超过表2中规定的允许值 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时 表2中的谐波电流允许值应进行换算即 各次谐波电流分量 各次谐波电流允许值 公共连接点的最小短路容量 基准短路容量 一 电能质量简介 暂时过电压和瞬态过电压 交流电力系统中的电气设备 在运行中除了作用有持续工频电压 其值不超过系统最高电压Um 持续时间等于设计的运行寿命 外 还受到过电压的作用 按照作用过电压的幅值 波形及持续时间 可分为 暂时过电压 包括工频过电压 谐振过电压 瞬态过电压 包括操作 缓波前 过电压 雷电 快波前 过电压 一 电能质量简介 暂时过电压和瞬态过电压 各类过电压的典型波形如下表所示 二 无功补偿简介 标准 国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则2004 SD325 89电力系统电压和无功电力技术导则 DL T1010高压静止无功补偿装置 GB T15576低压成套无功功率补偿装置 GB50227并联电容器装置设计规范 二 无功补偿简介 无功补偿的原理 将电容器和电感并联在同一电路中 电感吸收能量时 电容释放能量 而电感放出能量时 电容器吸收能量 因此能量就只在它们之间交换 即感性负荷所吸收的无功功率 可由电容器所输出的无功功率中得到补偿 因此把由电容组成的装置称为无功补偿装置 无功补偿的作用如下图所示 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q 装设无功补偿装置后 补偿无功功率为QC 使电源输出的无功功率减少为Q1 Q一Qc 功率因数由cos 小提高到cos 小 视在功率S减少到S 二 无功补偿简介 无功补偿的主要方法 根据补偿装置安装位置的不同 可以将无功补偿分为个别补偿 随机补偿或就地补偿 集中补偿 分组补偿 分散补偿 三种补偿方式如下图所示 二 无功补偿简介 无功补偿的主要方法 就地补偿 将低压电容器组分散地与用电设备的供电回路相并联 随用电设备同时投入或退出运行 使用电设备消耗的无功功率得到就地补偿 能获得明显的降损效益 集中补偿 无功功率补偿装置通过开关接在母线侧 用以补偿配电变压器 输电线路 配电线路的无功功率损耗 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 17 三 谐波 谐波的产生 非线性负载产生谐波 工业用易产生谐波设备 直流调速器 变频调速器 不间断电源系统 UPS 现代照明系统 焊接装置 感应加热炉 整流器 饱和变压器等 民用易产生谐波设备 电视机 空调 计算机 日光灯 电冰箱等 谐波流向 谐波电流主要流过电容器 谐波电流也流过电网 谐波电流的流动导致谐波电压 谐波也注入其他接入同一电网总线的线性负载 注入电网的谐波也会流向联网的其他用户 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 18 三 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 P 1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 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 19 三 谐波 谐波的种类 特性谐波 与相关回路结构相关 有规律的谐波次数 谐波频率可由公式k p 1 k 1 2 3 得到 谐波频率呈规律性 非特性谐波 由频率转换设备产生 系统不平衡 电压和感抗 3次谐波 零序谐波 3 2n 1 n 0 1 2 例如3 9 15 21 等 主要影响零序 增加零相电流 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 20 三 谐波 谐波的相序 1 每一谐波的相序都有关于基波的联系 按约定基波被设定为正相序 所有高次谐波都有相对于基波的正 负或是零相序 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 21 三 谐波 谐波的相序 2 RYB的相序 Seq 基次分量RYB基次 120o0o 120o二次 240o0o 240o谐波 120o0o 120o因而二次谐波作为负序分量运转 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 22 三 谐波 谐波的相序 3 RYB的相序 Seq 基次分量RYB基次 120o0o 120o三次 360o0o 360o谐波 0o0o 0o因而三次谐波作为零序分量运转 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 23 三 谐波 谐波的相序 4 每一谐波的相序算法及排列 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 24 三 谐波 谐波的相序 4 各序谐波的特性及危害 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 25 三 谐波 对设备的的危害 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 26 四 电能质量的治理设备 内容及目标 使注入公用电网的谐波电流及公共连接点的谐波电压在国标限值以内 提高用户用电的功率因数 使电压波动和闪变在国标限值以内 使电压凹陷 凸起 短时中断的幅值和持续时间在设备容许范围内 使用户设备在电磁兼容允许范围内安全经济运行 把对电网的干扰限制在国标限值以内 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 27 四 电能质量的治理设备 如下设备 无源滤波器FC 手动 自动投切 调谐 非调谐 静止型动态无功补偿装置SVC TSC TSC TCR FC TCR FC MCR 静止无功发生器SVG 又称静止同步补偿器STATCOM 有源滤波器APF 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 28 四 电能质量的治理设备 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 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 29 四 电能质量的治理设备 非调谐无源滤波器 非调谐 Detuned 或谐波抑制滤波器 谐振频率fR 最低主谐波频率的90 例如 fR 214Hz 小于5次谐波的90 电抗系数12 5 或14 适用于3次谐波 电抗系数5 5 或7 适用于5 7次谐波 适用于 仅考虑无功补偿 且谐波含量小的场所 参数选择需要注意防止电容器谐波过载 接线原理图 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 30 四 电能质量的治理设备 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 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 31 四 电能质量的治理设备 SVC TSC 主要器件 FC TSC或FC TSC TCRTSC投切方式 晶闸管投切电容器 有晶闸管和二极管反并联及两个晶闸管反并联两种方式 冷却方式 水冷 风冷 功能 投切振荡和无冲击投切 对三相不平衡负荷可以分相补偿 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5 10ms 不发生过补偿 无缺点 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 TSC TCR补偿器 以电容器作分级粗调 以电感作相控细调 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 32 四 电能质量的治理设备 SVC TCR 主要器件 FC TCRFC TCR投切方式 FC固定投切 可控硅调节相控电抗器投入比例 冷却方式 水冷 风冷 功能 补偿电网感性无功 FC吸收电网中特定频段谐波电流 部分减小无功冲击造成的电压波动与闪变 优点 动态跟踪无功变化 跟踪速度可达20ms 不发生过补偿 无投切振荡和无冲击投切 缺点 功耗大 占地面积大 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 谐波引起电感 电容发热 导致绝缘老化 电容器参数变化及损坏 谐波在TCR与FC间流动增加损耗 降低效率 谐波引起电磁兼容问题 干扰周围设备 谐波造成电磁污染 辐射 环保问题 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 33 四 电能质量的治理设备 SVC TCR 四 电能质量的治理设备 SVC MCR 主要器件 FC MCRFC MCR投切方式 FC固定投切 通过控制晶闸管的导通角来控制流过铁芯的磁通 磁通的强弱直接决定了铁芯的饱和程度 从而最终实现对电感值大小的控制 优点 MCR型可调电抗器的容量调节不需要大功率晶闸管阀组 占地面积小 结构简单 采用磁控式 使整个SVC系统可靠性极高 20年免维护 缺点 MCR本体为油浸电抗器 这样容易造成MCR的维修不方便 并且维护成本高 MCR运行噪声大 对变电站的运行环境产生噪声污染 MCR能耗大 MCR采用饱和电抗器技术 铁芯损耗非常大 虽然现在的MCR改良以后采用部分铁芯饱和技术 但是其能耗依然很大 就依靠目前先进的制造技术 MCR的能耗依然不低于2 四 电能质量的治理设备 SVC MCR MCR型动态无功补偿装置的系统组成基于MCR的SVC装置由MCR主体 励磁系统 控制与监控系统等组成如下图所示 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 36 四 电能质量的治理设备 SVG 静止无功发生器 SVG 又称静止同步补偿器 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 可以吸纳无功 精准电压控制 该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外 还可以按照电压幅值来控制 确保用户获得的电压的平稳性 降低电压纹波 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 目前仅在大容量区域变电所使用 造价高昂 适用场合 适用于大容量无功补偿的枢纽变电站 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 37 四 电能质量的治理设备 APF 主要器件 有源滤波器APF分类 电压型和电流型 并联型和串联型 实用的为并联电压型 原理 利用PWM技术实现的电流发生器 它产生与负载无功 基波与谐波 电流大小相等 方向相反的电流 使注入电网的无功电流为零 功能 谐波治理 无功补偿 抑制电压骤降 抑制闪变 优点 无需大容量电容器和电抗器 是一种动态的可控解决方案 可自动地适应网络和负载的变化 不存在谐振问题 占地面积小 缺点 单机容量较小 不适合大容量补偿 高压应用几乎没有 系统造价高 适用场合 功率因数高 配电系统复杂 谐波分量复杂的工业负荷 2020年2月12日星期三 中国矿业大学信电学院 38 四 电能质量的治理设备 APF MARS 电能质量有源恢复系统MARS MainsActiveRestoringSystem 是一种高压有源滤波补偿装置 主要器件 断路器 变压器 MARS 原理 利用双桥PWM技术实现的电流发生器 具备有源滤波器的所有优点 同时还能提供双向无功功率补偿 对系统的高频纹波影响最小 功能 谐波治理 无功补偿 抑制电压骤降 抑制闪变 适用场合 功率因数高 配电系统复杂 谐波分量复杂 补偿容量大的中