裴云庆：配电网无功补偿及相关技术问题

1、1配电网无功补偿及相关技术问题西安交通大学2013-12-152目目 录录1 无功功率与谐波的概念与计算无功功率与谐波的概念与计算2 线性负载条件下系统的无功补偿线性负载条件下系统的无功补偿3 动态负载条件下的无功补偿方法动态负载条件下的无功补偿方法4 非线性负载条件下的无功补偿非线性负载条件下的无功补偿5 其他新型无功补偿装置简介其他新型无功补偿装置简介31 1 无功功率与谐波的概念与计算无功功率与谐波的概念与计算 多数电力负荷的电流与电网电压间存在相位差。多数电力负荷的电流与电网电压间存在相位差。 随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带

2、来的来的谐波和无功谐波和无功问题日益严重，引起了关注。问题日益严重，引起了关注。无功的危害：v导致设备容量增加。v使设备和线路的损耗增加。v线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：v降低设备的效率。v影响用电设备的正常工作。v引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。v导致继电保护和自动装置的误动作。v对通信系统造成干扰。41.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1） 谐波对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数： n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 （1） 电流谐波总畸变率THDi（Total Har

3、monic distortion）定义为 （2）正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtu 基波（fundamental）频率与工频相同的分量 谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量 谐波次数谐波频率和基波频率的整数比%1001IIHRInn%1001IITHDhi51.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2） 功率因数 正弦电路中的情况电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：（3） 视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI （4） 无功功率无功功率定义为： Q=U I sin （5） 功率因数功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值： （6） 此时无功功

4、率Q与有功功率P、视在功率S之间关系：（8） 功率因数是由电压和电流的相位差 决定的:l l =cos （7）SPl20cos)(21UItuidP222QPS61.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础 非正弦电路中的情况非正弦电路中的情况 有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。v 不考虑电压畸变时，非正弦电路的有功功率： P=U I1 cos 1 （9）v功率因数功率因数为：（10） 基波因数基波因数n n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cos 1v功率因数由基波电流相移基波电流相移和电流波

5、形畸变电流波形畸变这两个因素共同决定的。11111coscoscosnlIIUIUISPSPl71.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础v非正弦电路的无功功率非正弦电路的无功功率 定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。 一种简单的定义是仿照式（8）给出的： （11） 无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。22PSQ8v 线性负载的功率计算线性负载的功率计算PZ =UIcos =I2|Z|cos =I2RQZ =UIsin =I2|Z|sin =I2XSPQZRX相似三角形相似三角形uiZ+-ZIXRIQPS222222l =cosIIpIqU1.2 常见负载

6、的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析91.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析v 电力电子装置的谐波及功率因数电力电子装置的谐波及功率因数（1）忽略换相过程和电流脉动，单相桥式全控电路带阻感负载，直流电感L为足够大时（12） 电流中仅含奇次谐波。 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。, 5 , 3 , 1, 5 , 3 , 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIidd101.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析111.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见

7、负载的谐波和无功功率分析 基波电流有效值为基波电流有效值为 （13） i2的有效值的有效值I= Id，结合式（，结合式（3-74）可得基波因数为）可得基波因数为 （14）电流基波与电压的相位差就等于控制角电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为，故位移因数为 （15） 所以，功率因数为所以，功率因数为 （16） 功率因数计算功率因数计算nllcos9 . 0cos22cos111IIlcoscos119 . 0221nIIdII221121.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析（2）三相桥式全控整流电路）三相桥式全控整流电路图1 三相桥式全控整流电路带阻感负载

8、=30时的波形阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大。以 =30为例，此时，电 流 为 正 负 半 周 各120的方波，其有效值与直流电流的关系为：tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （3-78）（17）dII32131.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析 变压器二次侧电流谐波分析： 电流基波和各次谐波有效值分别为（18） 电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波。 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 功率因数计算功率因数计算 基波

9、因数：（19） 位移因数仍为：（20） 功率因数为：（21）nllcos955. 0cos3cos111IIlcoscos11955. 031nII, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIndd141.2 常见负载的谐波和无功功率分析常见负载的谐波和无功功率分析152 线性负载条件下系统的无功补偿线性负载条件下系统的无功补偿v稳定的线性负荷可采用并联电容（电感）进行无功补偿v就近安装补偿装置可减小线路损耗v计算步骤： 1）了解负载功率（或容量）了解负载功率（或容量）Po、功率因数、功率因数l lo o=cos o o等数据等数据 2 2）确定补偿后的目标功率因数）确定补偿后的目标

10、功率因数l l1 1=cos 1 1 3 3）计算补偿容量）计算补偿容量16v 单一负载计算公式如下单一负载计算公式如下：2 线性负载条件下系统的无功补偿线性负载条件下系统的无功补偿121020010001011llllPtgPtgPQQQcv 多个负载计算公式如下多个负载计算公式如下：17v 计算举例计算举例 某电机负载，额定功率为100kW，额定状态功率因数为0.8（感性），将其功率因数分别补偿至0.9（感性）和1，求需要设置的补偿电容容量。解：功率因数补偿至0.9时：功率因数补偿至1时：2 线性负载条件下系统的无功补偿线性负载条件下系统的无功补偿var)k(6 .26)9 . 09 .

11、018 . 08 . 01(10022cQvar)k(75)1118 . 08 . 01(10022cQ183 动态负载条件下的无功补偿方法动态负载条件下的无功补偿方法v 若负载经常处于变化状态，则应采用具有自动若负载经常处于变化状态，则应采用具有自动投切功能的无功补偿装置或动态无功补偿装置。投切功能的无功补偿装置或动态无功补偿装置。v 具有自动投切功能的无功补偿装置多采用单片具有自动投切功能的无功补偿装置多采用单片机自动计算负载的功率因数或无功电流，采用接机自动计算负载的功率因数或无功电流，采用接触器或晶闸管控制投入电网的电容器容量。触器或晶闸管控制投入电网的电容器容量。v 动态无功补偿装置

12、也常称为静止无功补偿装置动态无功补偿装置也常称为静止无功补偿装置（SVC）包括晶闸管投切电容器）包括晶闸管投切电容器TSC和晶闸管控和晶闸管控制电抗器制电抗器TCR两种。两种。193 动态负载条件下的无功补偿方法动态负载条件下的无功补偿方法v晶闸管投切电容器TSC 交流电力电容器的投入与切断是控制无功功率的一种重要手段，晶闸管投切电容器TSC是一种性能优良的无功补偿方式。 基本原理是用交流电力电子开关来投如或者切除电容器，两个反并联的晶闸管起着把电容C并入电网或从电网断开的作用。 图图2 TSC基本原理图基本原理图a) 基本单元单相图基本单元单相图 b) 分组投切单相图分组投切单相图图图3 T

13、SC理想投切过程原理说明理想投切过程原理说明203 动态负载条件下的无功补偿方法动态负载条件下的无功补偿方法v晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器TCR 是晶闸管交流调压电路带电感性负载的一个典型应用，通常为支路控制三角联结方式的晶闸管三相交流调压电路。 通过对角的控制，可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。 图图4 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)电路电路图图5 TCR应用系统示意图应用系统示意图214 非线性负载条件下的无功补偿非线性负载条件下的无功补偿v 若负载为非线性负载（产生较大谐波电流），若负载为非线性负载（产生较大谐波电流），或电网电压畸变较高，

14、则采用并联电容进行无功或电网电压畸变较高，则采用并联电容进行无功补偿时可能发生谐振，出现谐波放大现象。补偿时可能发生谐振，出现谐波放大现象。v 传统的并联电容（或电感）补偿方案有时不能传统的并联电容（或电感）补偿方案有时不能提高系统功率因数。提高系统功率因数。224 非线性负载条件下的无功补偿非线性负载条件下的无功补偿图图6 含有谐波的配电系统示意图含有谐波的配电系统示意图v 当电网谐波电压频率满足当电网谐波电压频率满足 时，时，电网发生串联谐振。电网发生串联谐振。v 当负载谐波电流频率满足当负载谐波电流频率满足 时，时，电网发生并联谐振。电网发生并联谐振。v两种情况下，电网电流、两种情况下，

15、电网电流、电容电压（即负载电压）的电容电压（即负载电压）的谐波含量将显著增大，甚至谐波含量将显著增大，甚至导致设备损坏。导致设备损坏。CLfsh21CLfsh21234 非线性负载条件下的无功补偿非线性负载条件下的无功补偿解决方案解决方案1：v 当仅对负载的基波无功功率进行补偿时，在并联电容中当仅对负载的基波无功功率进行补偿时，在并联电容中串联电抗器，使系统在谐波频率下不发生谐振。串联电抗器，使系统在谐波频率下不发生谐振。v 例如：例如： 取取 可避免发可避免发生频率大于生频率大于fh的谐振现象。的谐振现象。图图7 采用串联电抗器的无功补偿装采用串联电抗器的无功补偿装置示意图置示意图CfLhf

16、2)2(1244 非线性负载条件下的无功补偿非线性负载条件下的无功补偿解决方案解决方案2：v 当需要对负载谐波电流进行治理时，在并联电容中串联当需要对负载谐波电流进行治理时，在并联电容中串联电抗器，其在负载电流谐波频率处谐振，构成调谐滤波器。电抗器，其在负载电流谐波频率处谐振，构成调谐滤波器。v例如：例如： 取取 可使可使负载电流中频率为负载电流中频率为fh的谐波电流的谐波电流流入滤波器，避免流入电网。流入滤波器，避免流入电网。图图8 采用调谐滤波器的无功补偿装采用调谐滤波器的无功补偿装置示意图置示意图CfLhf2)2(125v静止无功发生器静止无功发生器 SVG 静止无功发生器静止无功发生器

17、指由自换相的电力电子桥式变流器来进行动态无指由自换相的电力电子桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。功补偿的装置。 SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。由于分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。由于运行效率的原因迄今投入实用的运行效率的原因迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路。大都采用电压型桥式电路。图图9 SVG的电路基本结构图的电路基本结构图a）采用电压型桥式电路）采用电压型桥式电路 b）采用电流型桥式电路）采用电流型桥式电路5 其他新型无功补偿装置简介其他新型无功补偿装置简介265)(15)(1 222LLLLCRCRCRR当当与传统SVC相比较 SVC所能提供的最大