无功补偿课件

主讲 李帅2012年11月21日 无功补偿知识培训 CompanyLogo 培训目的 通过对无功补偿知识的讲解 让大家更了解我们所接触的电 通过学习这部分知识 让值班人员在日常监盘中 能够更准确的判断系统电能状况 及时对系统做出正确的调整 希望通过此次培训 能够激发大家对专业知识学习的兴趣 进行更深一步的学习和研究 电压 频率 河水之所以能够流动 是因为有水位差 电荷之所以能够流动 是因为有电位差 电位差也就是电压 电压是推动电荷定向移动形成电流的原因 中国的频率f为什么是50HZ 而不是其它呢 一 进制问题 中国最早沿用欧进制 英法 也就是10进制 而美国等国家采用12进制 为了方便计算 所以我们采用50HZ 而部分国家采用60HZ 二 我国最早沿用欧进制 同步发电机大部分为3000转 分 根据公式f np 60 可知 频率就是50HZ 如果把频率提高 则要求发电机的技术高 如果把频率降低 变压器就要大一些 互感器要大一些 线路电抗就大等等 所以最终选用50HZ 目录 什么是有功功率 无功功率什么是功率因数无功功率高 低对系统的影响为什么说有功影响频率 无功影响电压风电场中的无功主要被谁消耗 无功补偿装置的种类及补偿原理无功就地补偿电压低时 停风机进行无功补偿 一 有功功率 有功功率 在交流电路中 凡实际为电器 电阻性质 所吸收的电功率叫有功功率 当电网电压为正弦波形 并且电压和电流同相位时 电阻性电气设备从电网吸收的功率P等于电压U和电流I的乘积 即 P U I电阻性电气设备包括白炽灯 电热器等 上面所说的有功功率P 时间T 发电量 HOME HOME HOME 无功功率 无功功率无功功率 无功功率 是在交流电路中 一些用电设备或元件 为了建立基本的工作状态而向电源索取的功率 它们以磁场或电场的形式存在 不能对外做功 通常是在前半个周期里从电源索取 在后半个周期又退回给电源 无功功率只在设备 或元件 与电源之间不停地交换 并没有真正消耗能量 无功功率 用字母Q表示 单位为乏 Var 我们用交流异步电动机来说明这个问题 交流异步电动机有一个转子 有一个定子 通电以后 定子会产生一个旋转的磁场 转子也会产生一个的旋转磁场 两个磁场力相互作用 转子就转动起来了 这些磁场的力 大部分转化成动力 对外作了功了 但是总会有一小部分磁场力 要保留在电机中 用来维持电机转动 不能变成输出的动力 这部分磁场力对应的功率 就是无功功率 由此 我们可以说 类似电机 变压器这样一些电感性的电器元件 在工作中需要建立基本的磁场 需要保留一部分不能对外做功的功率 就形成了电路中的感性无功功率 同样 电路中的电容性元件 在工作中需要建立基本的电场 建立电场需要一部分不能对外做功的功率 就形成了电路中的容性无功功率 HOME 无功功率 无功功率比较抽象 它是用于电路内电场与磁场的交换 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率 无功功率决不是无用功率 它的用处很大 没有无功功率 电动机就不会转动 变压器也不能变压 交流接触器不会吸合 为了形象地说明这个问题 现举一个例子 农村修水利需要开挖土方运土 运土时用竹筐装满土 挑走的土好比是有功功率 挑空竹筐就好比是无功功率 竹筐并不是没用 没有竹筐泥土怎么运到堤上呢 正弦波的特征量 正弦量的特征量及表示方法 HOME 两种正弦信号的相位关系 相位差为0 HOME 电压和电量的关系 HOME 二 功率因数 通过分析电动机的特性 我们知道了电动机在工作时 不仅要向电源索取有功功率对外做功 还需要无功功率维持自身的旋转 作为供电部门来说 总是希望把供给用户的电能 都去做有用功 都是有功功率 不希望用户设备中的无功功率太多 虽然无功功率只是不停地在设备和电源之间交换 并不消耗 但是无功功率却占用了电网的容量 使电网的效率降低 所以供电部门要考核用户用电设备的用电效率 就是要知道用户从电网中索取的电能 有多少用来做有用功了 这就引入了功率因数的概念 实际功率因数cos P S HOME 为什么要重视和提高功率因数 前面说了 功率因数是反映用户的电能的利用效率 功率因数越高 电网的电能利用率就越高 供电局是希望用户的功率因数越高越好 也就是希望用户从电网索取的 都是有功功率 无功功率越少越好 大家可能会问 无功功率既然只是能量交换 并没有能量消耗 多一点少一点 有什么关系呢 要解答这个问题 先要了解电网的容量问题 电网的容量 就是电网能够提供的最大能量 电网的容量是一个定值 是有限的 有功功率是能量 无功功率也是能量 它们都是由电网提供的 所以当无功功率大了 有功功率的就小了 能提供对外做功的能量就少了 容量与有功功率 无功功率之间的关系如下 由功率三角形可得S UI P Q P Scos Q Ssin 从公式可以看出 当S恒定时 容量一般是固定的 若无功功率Q增加 有功功率P有就减少 当无功功率Q很大的时候 有功功率P有就会减少很多 甚至无法满足设备工作 但是用电设备是挂在电网上的 设备会强迫电网提供有功功率 这就是电网负担过重 出现过载 甚至造成电网故障 过载跳闸 从用户的角度看 结果也是这样 用户的变压器的容量是固定的 如果用户的设备需要的无功功率过大 就会使有功功率的出力减少 会使变压器输出电压降低 出现电压不合格 这不仅使用电设备不能正常工作 还可能造成设备损坏 结论 用户的无功功率过大 会导致电网有功功率的出力减少 电压下降 频率降低 严重的就引起电网跳闸 出现电网裂解等重大事故 因此 重视补偿无功功率 最重要的原因是保证电网的无功平衡 保证电网的安全 其次 无功功率虽然不会消耗 但是无功能量在电路上来回传送 无功电流会使能量在线路上产生损耗 造成电能的浪费 而且负荷与电源的距离越远 无功电流造成的损耗就越大 这就是国家提倡大型电动机要就地补偿的原因 三 无功功率高 低对系统的影响 无功功率低 1 降低发电机有功功率的输出 2 降低输 变电设备的供电能力 3 造成线路电压损失增大和电能损耗的增加 4 造成低功率因数运行和电压下降 使电气设备容量得不到充分发挥 无功功率高1 无功功率会导致电流增大和视在功率增加 导致系统容量下降 2 无功功率增加 会使总电流增加 从而使设备和线路的损耗增加 3 使线路的压降增大 冲击性无功负载还会使电压剧烈波动 HOME 四 为什么有功影响频率 无功影响电压 有功影响频率 根据60f n p 可知由于电机极对数是固定的 所以f之和转速有关系 发电机由原动机拖动 当外界负载增加 而原动机出力不变时候 转子的速度就会变慢 而频率是和转速有关系的f pn 60从而影响到频率 HOME 无功影响电压 电力系统的某一时间 负载 消耗 的无功是和发电机 发出 的无功平衡的 一台机多带了无功 其他机组的无功负荷就会下降 当负载无功功率增大时 无功电流的增量就会在发电机的电枢反应中起到 去磁作用 使发电机的感应电势降低 从而造成系统电压下降 严格说是在较低的电压下达到新的平衡 所以可以认为系统电压下降是因为发电机输出的无功功率不足造成的 电力系统负载需求的无功功率和发电机提供的无功功率是供需关系 当供需平衡时 各台发电机都可以维持额定的端电压 发电厂母线和变电所母线直到用户端电压都可以控制在正常的范围之内 当系统负载的无功需求增大时 发电机可以增大励磁 但是发电机增大励磁受到转子电压 转子电流和定子电流的限制 一旦每一台发电机都不能再增大无功输出的时候 发电机的端电压就会偏低 从而导致发电厂母线和变电所母线电压偏低 最终用户电压偏低 除了上述发电机电压降低以外 负载无功增大使线路电流增大 导致线路压降增大 更加剧了用户电压降低 随着电压降低 负载的无功需求也会下降 最终整个系统会在较低的电压水平取得新的无功平衡 五 风电场中的无功主要都被谁消耗了呢 我们在值班过程中 都有这样的经验 当风速高 发电量多时 无功需求量较大 许多值班人员认为 我们的风电机是双馈异步发电机 因为发电量多 需要加大励磁 所以无功损耗量大 但实际这种认识是错误的 目前所有的双馈机组在理论上都是不消耗系统无功功率的 因为双馈机组的变频器IGBT能够发无功 所以它是自己自足的 那有人问无功哪里去了 无功是被箱变和主变消耗了 随着负荷的变大 变压器需要大量的无功进行电磁转换 所以用掉了大部分无功功率 风机在设计时 只考虑了补偿自身的无功损耗 没有考虑箱变 因此目前进行的AVC和AGC调节就是宏观的通过风机对无功功率进行调节 HOME 六 无功补偿装置种类及补偿原理 普发 吉风 聚风 迅风目前有3种无功补偿装置 分别为 1 固定式FC电容补偿装置2 SVC无功补偿装置3 SVG无功补偿装置固定式FC每个风场都有 SVC在聚风和迅风配备 SVG在吉风 桐风配备 HOME 固定式无功补偿装置 原理 调压式无功电压自动补偿装置根据Q 2 fCU 原理采用调节电容器端电压方式 改变电容器端电压U来调节电容器无功出力满足系统容性无功需要 达到稳定电压 提高功率因数降低输电损耗之目的 HOME HOME HOME HOME 固定式无功补偿装置 二 构成该装置由有载调压器 电容器 微机控制器三部分组成 其关键技术为有载调压器 它输入端接母线输出端接电容器 电容器电压可在 100 60 之间调整 无功输出可在 100 36 电容容量输出 三 调压式无功电压补偿装置的优点1 电容器固定接入 可以连续可调输出 满足系统容式无功需要 2 电容器长期工作在额定电压以下 可以成倍延长电容器的寿命 3 由于采用自耦调压器调压附加损耗小 仅为电容器容量的 0 5 2 根据国标GB6451 2 86普通35kV变压器25000kvr容量满载时损耗仅120KW左右 为额定容量的4 8 左右 有载变压器损耗仅为普通变压器的1 3 1 2即2 8 左右 4 该装置结构简单运行费用低 安装调试后可无人值守 由于电容器运行电压低 电容器基本不会损坏 无需备件 和SVC相比占地小 5 和SVC相比无谐波污染 不需要辅加谐波吸收回路 MCR SVC无功补偿装置 MCR SVC的原理及缺点MCR SVC的工作原理是利用的是电抗器在不同饱和度下表现出不同的感抗来实现无功功率的控制的 利用自耦变压器的原理 晶闸管不导通时 就相当于自耦变压器空载运行 晶闸管的导通角越小 流过晶闸管的电流就越大 晶闸管的导通角越大 流过晶闸管的电流就越小 所以可以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 MCR的主要缺点有 1 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 2 响应速度慢 当前MCR的响应速度最快也在150ms左右 比TCR响应速度 小于10ms 慢十几倍 这对风机并网的稳定性会有一定的风险 3 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 4 MCR运行噪声大 对变电站的运行环境产生噪声污染 5 晶闸管冷却方式为油浸式 一旦晶闸管元件损坏 将会造成更换困难 HOME TCR SVC无功补偿装置 晶闸管阀组与空心电抗器串联在一起 晶闸管阀组不导通时 没有电流流过电抗器 电抗器不消耗无功功率 晶闸管导通角度越小 流过电抗器的电流越大 电抗器吸收的无功功率越多 晶闸管导通角度越大 流过电抗器的电流越小 电抗器吸收的无功功率越小 通过控制晶闸管的导通角 以实现动态的无功功率调节 相控式电抗器的结构原理 HOME TCR SVC无功补偿装置 TCR SVC的优点是 1 TCR型SVC能耗小 TCR型SVC的能耗低于相当于系统无功容量的0 5 2 响应速度快 TCR型SVC动态响应速度小于10ms 闪变抑制比高 对风机在并网过程中产生的电压变化有极强的稳定控制作用 并且对系统瞬时性接地故障可以起到稳定母线电压 维持风机正常运转的作用 不至因母线电压崩溃导致风机过速进而损坏风机的严重后果 3 相控电抗器为空心电抗器 直接自然冷却不需要专用的冷却介质 完全免维护 4 运行噪声几乎没有不会对变电站造成环境噪声污染 5 可分相 连续无级的调节无功功率对风电场的不平衡负序电流能进行补偿 其连续无极的调节功能可以稳稳的实现控制目标 MCR与TCR比较 以一个12MVar容量的TCR SVC和MCR SVC来比较 设备的年运行时间为250天即6000小时 设备的上网电费为0 54元 度 则 年损耗 无功容量 损耗率 年运行小时 上网电费TCR SVC的年损耗 12 0 5 6000 0 54 万元 19 44万元MCR SVC的年损耗 12 2 5 6000 0 54 万元 97 2万元 SVG无功补偿装置 SVG的工作原理SVG的基本原理是 将电压源型逆变器 经过电抗器并联在电网上 电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分 其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成 工作中 通过调节逆变桥中IGBT器件的开关 可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位 因此 整个装置相当于一个调相电源 通过检测系统中所需的无功 可以快速发出大小相等 相位相反的无功 实现无功的就地平衡 保持系统实事高高率因数运行 上图为SVG原理图 将系统看作一个电压源 SVG可以看作一个可控电压源 连接电抗器或者可以等效成一个线形阻抗元件 HOME SVG无功补偿装置 SVG与TCR MCR的优势SVG的核心技术是基于可关断电力电子器件IGBT 绝缘栅型双极晶体管 可实现快速的导通 关断控制 开关频率可达到3500Hz以上 的电压源型逆变技术 SVG也被称为 静止调相机 它可以快速 连续 平滑地调节输出无功 且可实现无功的感性与容性双相调节 在构成上 TCR是通过斩波控制 实现电抗器的等值阻抗调节 MCR是通过可控硅励磁装置控制铁心饱和度 从而改变等效电抗的装置 两者都属于阻抗型补偿装置 SVG是通过逆变器的控制实现无功的快速调节 不再需要大容量的交流电容 电抗器件 是属于电源型的主动式补偿装置 SVG无功补偿装置 与相控电抗器TCR和磁阀控制电抗器MCR相比 SVG的具有明显性能优势 SVG能耗小 相同调节范围下 SVG的损耗只有MCR的1 4 TCR的1 2 运行费用低 更节能环保 SVG是电流源型装置 主动式跟踪补偿系统所需无功 从机理上避免了大容量电容 电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象 在电网薄弱的末端使用 其安全性比阻抗型装置更高 SVG的响应速度更快 整体装置的动态无功响应速度小于10ms 而TCR型SVC的响应时间约为20 40ms MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上 相比之下 SVG实现了质的飞跃 首次将动态无功补偿的响应时间缩短到一个工频周期之内 SVG中的谐波特性更好 TCR MCR运行过程中都产生较大的谐波 尤其是TCR 最大谐波电流含量达到20 以上 而SVG自身不产生谐波 同时还能滤除系统谐波 保证运行安全性 SVG采用模块化设计和户柜式安装 工程设计和安装工作量小 TCR MCR是阻抗型特性 输出无功容量和母线电压的平方成正比 SVG具有电流源的特性 输出容量和母线电压成线形关系 在母线电压偏低的情况下 SVG出力大 不产效果更好 SVG的噪音很小 45dB 更符合节能环保的设计理念 HOME 七 无功的就地补偿 无功补偿装置的分布 首先要考虑调压的要求 满足电网电压质量指标 同时 也要避免无功功率在电网内的长距离传输 减少电网的电压损耗和功率损耗 无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡 就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置 这既是经济上的需要 也是无功电力特征所必需的 如果不这样做 就达不到最佳补偿的目的 解决不了无功电力就地平衡的问题 无功功率不宜远距离输送 当输送功率与传送距离达到一定极限时 其传送功率成为不可能 这是由于高压等级的变压器 线路电抗较大 其无功损耗Q I X相应也很大 所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了 另外 传送大量的无功功率时 线路电压损失也相当大 同样会造成无法传送的结果 HOME 无功的就地补偿 在电力系统中 频率与有功功率是一对统一体 当有功负荷与有功电源出力相平衡时 频率就正常 达到额定值50Hz 而当有功负荷大于有功出力时 频率就下降 反之 频率就会上升 电压与无功功率也和频率与有功功率一样 是一对对立的统一体 当无功负荷与无功出力相平衡时 电压就正常 达到额定值 而当无功负荷大于无功出力时 电压就下降 反之 电压就会上升 根本上说 要维持整个系统的电压水平 就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗 如果系统无功电源不足 则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡 即靠电压降低 负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足 同样 如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩 也会造成整个电网的运行电压过高 八 电压低时 停风机进行无功补偿 在运行过程中 我们都发现过这种情况 系统电压低 我们无功补偿装置处于满负荷运行状态 但是对于系统电压低仍然处于杯水车薪的状态 对于现有补偿设备 运行人员已无能为力 因此就出现了运行人员停风机抬高电压的方法 首先 我们要说一下系统电压低的原因 对于围场地区 这种情况往往都出现在风速较好 负荷较大的时候 变压器需要无功功率显著提高 但部分电场没有按要求提供无功功率 因此拉低了系统电压 如果系统比喻成河流 那么我们的风电场就是其中的一条小