第二章-风电场无功补偿

1、静态无功功率补偿,无功补偿技术,第二章,静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。 无功功率补偿装置接人系统的方式有两种：并联和串联。 以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可靠性影响小而广泛使用 以串联方式接入系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿。串联补偿方式因为接线复杂，操作不方便、对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。,用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有 并联电容器：并

2、联电容器用于补偿感性无功功率 并联电抗器：并联电抗器用于补偿容性无功功率 串联电容器：用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和 提高线路受电端的电压 串联电抗器：用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路 容性无功功率流动； 其组合：混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中， 然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到 抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。,由于串联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联电抗器，因此，静态无功功率补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。,2.1 并联电容器,电容器是电子工业与电工设

3、备中的基本元件之一。电容器就是储藏电荷的容器。电容器通常由两块中间隔以绝缘介质的导电板组成。两块绝缘板中间的介质可以是气体、液体、固体或者混合体。 电容器的命名方法很多，主要分为以下几种： 按接入系统的方式：并联电容器、串联电容器 按电压级别：高压电容器、低压电容器 不过通常对于具体的电容器来说，一般以绝缘介质的名称来命名电容器 瓷介电容器 云母电容器 纸质电容器 薄膜电容器、 纸膜复合介质电容器等。 并联在电力系统的大功率电容器称为并联电力电容器，也称并联静电电容器，习惯上简称为并联电容器。,2.1 并联电容器,并联电容器首先是在20世纪10年代中期用于功率因数的校正。但是，由于早期的电容器

4、使用油作为绝缘介质，体积和重量太大而且 价格很贵，电容器的应用受到限制。,并联电容器发展过程,20世纪30年代，由于电容器价格和体积有大幅度下降。因此，自20世纪30年代后期，电容器的使用有显著的增加。,发展到今天，并联电容器成为一种提供无功功率的非常经济的电力装置。,价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便,并联电容器优点：,其无功功率输出与电压平方成正比，低电压时无功功率输出减小，而 这时的系统却需要更多的无功功率； 电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统无功功率 需求的变而改变，是一种静态无功功率补偿装置，适用于无功功率需 求稳定的场所，但即使这样，也容易造成欠补偿

5、或过补偿。,并联电容器缺点：,2.1.1 并联电容器补偿无功功率的原理,假设电气负荷是电阻R和电感L组成的并联电路，对R、L电路进行无功 补偿，电容无功补偿的等值电路如图所示,并联电容器投入时，电流方程：,电容器提供的无功功率为：,完全补偿：,欠补偿：,过补偿：,并联电容器不投入时，电流方程：,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,特点：用电设备运行时，无功功率补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也 退出，因此不会造成无功功率倒送；同时还具有投资少、占位小、安 装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。,1、个别补偿,个别补偿又称为“就地补偿”，也称“随机补偿”。,个别补偿分为低压个别

6、补偿和高压个别补偿。,它就是根据个别用电设备对无功功率的需要量将单台或多台电容器组分散地与用电设备并接。,通过控制、保护装置与用电设备同时投切，既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量。,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,缺点：当电气设备不连续运转或轻负荷，又无自动控制装置时，会造成过补 偿，使运行电压抬高，电压质量变坏，因此，补偿装置需要较频繁投 切；不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。,2、集中补偿方式,集中补偿是指将并联电容器接在汇流母线上，根据母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。,安装位置：一般把补偿装置装于地区变电站或高压供电电力用户降压变电站

7、 的一次或二次母线上，也包括集中装于电力用户总配电高低压母线上。,优点：安装方便，有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，运行可靠， 利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及专供线路的无功 负荷和电能损耗。,集中补偿分为低压集中补偿和高压集中补偿。,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,常见的安装方式有： 高压补偿装置分组安装于城乡电网10、6kV配电线路的杆架上； 低压补偿装置安装于公用配电变器的低压侧或电力用户各车间的配电母线 上。,3、分组补偿（又称分散补偿）,安装位置：根据各用户的各个负荷中心，把补偿装置装分成几组安装在功率 因数较低的村镇终端变、配电所高压或低压母线上或车间

8、配电室或变电 所分路出线上。,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,4、混合补偿,混合补偿就是对于大容量的低压负荷和高压负荷采取个别补偿，同时在低压母线或高压母线上安装电容器，集中补偿大量的小容量高低压负荷的无功功率需求。,优点：避免了全面个别补偿所带来的安装、控制、保护、运行方面的麻烦， 也避免了全面集中补偿带来的无功功率传输距离长、无功功率传输容 量大、功率损耗大的缺点，因此在电力系统无功功率补偿实践中被广 泛使用。,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功功率，配电变压器空载无功功率是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配

9、电变压器而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。,5、随器补偿与跟踪补偿,随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功功率的补偿方式。,随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功功率，限制农网无功功率基荷，使该部分无功功率就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功功率网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功功率最有效的手段之一。,2.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式,跟踪补偿：指以无功功率补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。,适用于lO

10、OkVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器补偿方式，补偿效果好。 优点：运行方式灵活，运行维护工作量小，比随器补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。 缺点：控制保护装置复杂、首期投资相对较大。,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,安装并联电容器进行无功功率补偿时，电容器安装容量的选择，可根据不同目的来确定。,(1)集中补偿和分组补偿电容器容量Qc(kvar)的确定。采用集中补偿方式和分组补偿方式时，总的补偿容量按功率因数可由下式决定。,或,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。,电容器组为星形连接时,考虑到电网线电压的单位常用kV，Qc的单位

11、为kvar，则星形连接时每相电容 器组的容量为,单位为F,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,电容器组为星形连接时,考虑到电网线电压的单位常用kV，Qc的单位为kvar，C的单位F为则星形连接时每相电容器组的容量为,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,（2）就地补偿电容器容量QC（kvar）的确定,单台异步电动机装有个别补偿电容器时，若电动机突然与电源断开,容器将对电动机放电而产生自励磁现象，如果补偿电容器容量过大，可能因电动机惯性转动而产生过电压，导致电动机损坏。为防止这种情况，不宜使电容器补偿容量过大，应以电容器（组）在此时的放电电流不大于电动机空载电流I0为限，即,式中，UN供电系统

12、额定线电压（V） I0电动机额定空载电流（A）,可用下式估算I0,或,式中，IN电动机额定电流（A） N电动机未经补偿时的功率因数角 nT电动机最大转矩倍数，一般取1.82.2,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,（3）按配电变压器容量确定无功功率补偿容量,式中，SN配电变压器容量（kVA）,配电变压器低电压侧安装电容器时，应注意防止轻载时向10kV配电网倒送无功功率，以取得最大的节能效果，根据配电变压器容量其补偿容量 QC（kvar）为,（4）按提高运行电压来确定补偿容量Qc(kvar)。,按提高电压要求来确定补偿容量的方法适用于以调压为主的枢纽变电站和电网末端的用户变电所，其补偿容量按提

13、高电压的要求，采用近似计算法为,式中，U需要提高的电压值（V） U2 需要达到的电压值（kV) X 线路电抗（）,2.1.3 并联电容器补偿容量的确定,需要注意，若实际运行电压与电容器额定电压不一致，则电容器的实际 补偿容量为,式中，UN电容器的额定电压 QN电容器的额定补偿容量 Uw电容器实际工作电压,案例分析,变电所低压侧集中补偿的各条出线的参数和设备容量见下表。,今欲将功率因数提高到0.970.98，求补偿电容的容量,解：,无功与有功之间的关系：,案例分析,功率因数由0.84提高到0.97时：,功率因数由0.84提高到0.98时：,所以，无功补偿容量,2.1.4 并联电容器的放电回路,当

14、电容器（组）与电源断开时，电容器两极间电压等于断开时电网电压的瞬时值，然后通过本身的绝缘电阻自放电。在自放电过程中，电容器的端电压按指数规律衰减，即,式中，U0电源开关断开时电网电压瞬时值（V） C并联电容器的电容量（F） R电容器的绝缘电阻（） t 电源开关断开后的时间（s）,为保证运行和检修人员的安全，应使电容器尽快放电，其方法是装设放电电阻。,2.1.4 并联电容器的放电回路,集中补偿和分组补偿方式的低压电容器组，可采用白炽灯接成星形作为放电回路； 补偿异步电动机的方式而言，电容器（组）可通过定子绕组放电，无需专设放电电阻；,要求源开关断开30s后，电容器端电压小于65V；正常运行时该电

15、阻消耗功率很小，每千乏并联电容器消耗功率不大于1W。由此得出放电电阻的计算公式为, lkV以上的高压电容器组，可利用母线上的电压互感器高压绕组作为放电装置。,式中，Uex电容器组的额定电压（V） Ur允许剩余电压（V） C并联电容器的电容量（F） t 放电时间（s）,2.1.5 并联电容器的连接方式,一、单相电容器的连接方式,串并联方式：可以同时提高单相电容器组的电压等级和容量,串联方式：可以提高单相电容器组的电压等级,并联方式：可以提高单相电容器组的容量,一般地，串联的段数越少，结构越简单，投资越省； 并联的台数越多，电压越稳定，保护熔丝切除故障越可靠； 因此单相电容器组应尽量使串联段数越少

16、，并联台数越多越为好。,单相电容器组串联的段数与并联的台数的选择，主要根据电容器的 规格、电压和安装容量来决定。,2.1.5 并联电容器的连接方式,先并后串方式,优点：任何一段上的一台电容器损坏被切除后，不会影响其他电容器正常工作，只是该段的其他电容器需要承受稍大电荷。,先串后并方式,缺点：如果某一电容器故障被切除，会使整个串联支路的电容器都不能工作，使其他所有电容器承受的电荷增大，因此电容器故障容易扩大，使用寿金降低。,2.1.5 并联电容器的连接方式,二、三相电容器组的连接方式,当单相电容器的额定电压等于电网的线间电压时，可以将电容器接成三角形接线，可以获得较大的补偿效果。,三角形接线,优

17、点：电容器组中不会产生3次谐波，对系统没有谐波污染，有利于消除电网中3次谐波和减轻对通信的干扰。,缺点： 1、任何一台电容器因故障短路被击穿时，就形成两相短路，故障电流很大，有时甚至可造成油箱爆炸，并对邻近电容器剧烈地充放电，导致邻近电容器损坏。 2、接线比较复杂，各相为多段串联连接的电容器，接线更加困难。 3、没有适当的保护方式，虽可采用过电流保护和双三角差流保护，但是既复杂又不可靠。,2.1.5 并联电容器的连接方式,1、有中线,星形接线,优点：1、绝缘承受的电压较低； 2、当电容器组中有一台电容器因故障击穿短路时，故障电流将减 少到一定范围，并使故障影响减轻。 3、可以选择许多保护方式，

18、以满足安全运行的需要。,2、无中线,2.1.6 并联电容器的投切,1、单组电容器投入时的涌流,一、并联电容器投入时的励磁涌流及其抑制技术,当合闸瞬间，流入电容器的电流只受到电容器回路中的阻抗限制，由于电容器回路中的阻抗很小与短路状态相似，将产生很大的合闸电流。,涌流的最大值发生在系统电压处于峰值的瞬间投入电容器时，电流的最大值可用下列公式计算。,式中IN电容器额定电流； PK变电所的短路容量； Qc电容器组的容量； XC电容器的容抗； XL短路处的感抗。,2.1.6 并联电容器的投切,1、单组电容器投入时的涌流, 假如电容器在合闸之前已经处于充电状态 1、当充电电压与系统电压大小相等方向相同时

19、，则合闸时不会产生涌 流。 2、如果充电电压与系统电压大小相等方向相反时，则合闸涌流将为未 充电状态时的涌流的两倍。, 由于无法判断合闸瞬间的电压相位，为了避免产生危险的涌流，规定了 电容器在断开后，必须充分放电才能重新合闸运行。, 实验表明，单组电容器的合闸涌流大约为电容器组额定电流的5 15 倍。,2.1.6 并联电容器的投切,解：,电容器额定电流：,2.1.6 并联电容器的投切,2、多组电容器投入时的涌流,合闸涌流可由以下公式计算,式中，L两组电容器间母线的电感， H，L=L0+Ln C两组电容器串联回路总电 容，F，C= 1/(1/C1+1/C2); U电网相电压，V,试验表明，这时的

20、合闸涌流可以达到电容器组额定电流的2050倍，它将对开关和电容器造成危害，因此规定，变电所装有两组以上的电容器组时，必须采取措施，限制合闸涌流。,2.1.6 并联电容器的投切,（二）抑制并联电容器合闸涌流的技术措施,1、断路器断口加并联电阻, 在关合断路器时，先关合QF1， 由于电阻的限制，断口QF1涌流 的最大值为：,当合断口QF2时，电容器、断口QF2的涌流的最大值分别为：,式中，U电源电压有效值 Uc电容器的电压有效值 UR电阻上电压有效值 XL电容组与电网之间的电抗 Xc电容器组一相容抗 R断口并联电阻,2.1.6 并联电容器的投切,若使IMl和IM2相同，则有：,且因为：,则：,2.

21、1.6 并联电容器的投切,例：若10kV变电所母线短路容量为500MVA，QC=10Mvar，为了减小涌流，试确定断路器断口需并联的电阻值。,解：,2.1.6 并联电容器的投切,合闸涌流倍数为：,2、加装串联电抗器,加串电抗器后：,若,2.1.6 并联电容器的投切,二、电容器分闸过电压及其对开关的要求,对操作电容器的开关，必须具备高速度，强力灭弧或带并联电阻的要求。,2.1.6 并联电容器的投切,三、并联电容器的自动投切,投切方法：,1、按母线电压的高低投切 2、按无功功率的方向投切 3、按功率因数大小进行投切 4、按负载电流的大小进行投切 5、按昼夜时间划分进行投切,2.1.7 并联电容器和

22、谐波的相互影响,谐波对电容器的影响: 电网谐波对电容的影响最为突出，含有高次谐波的电压 加在电容两端时，很容易发生过负荷使电容器损坏，甚 至爆炸。,电容器对谐波的影响: 电力电容器对谐波电流的放大也是一个不可忽视的问 题。电容对谐波电流一般放大2.5倍，谐振时可达30倍 以上。,2.1.7 并联电容器和谐波的相互影响,一、谐波对电容器的危害,1、谐波会导致电容器过电流和过负荷,电容器接入电网后，电容器两端的电压中含有 2n 次谐波，则其电压的有效值为,通过电容器的电流有效值为：,电容器的无功功率容量为：,式中，Ul基波电压有效值； Un各次谐波电压有效值； hn各次谐波电压畸变率， hn =

23、Uk/U1。,2.1.7 并联电容器和谐波的相互影响,2、谐波使电容器的局部放电性能变坏,当电网电压存在谐波时，除了引起电容器的端电压有效值升高外，还同时引起电压峰值的增高。试验表明，尖顶波电压易在介质中诱发局部放电，而且由于电压变化速率快，引起的局部放电强度也较大，这将对电容器绝缘介质的老化起着加速作用。,电容器的局部放电性能通常由起始放电场强和局部放电熄灭场强两个参数来表征，如果两者均高，则电容器的性能好。当电容器的局部放电熄灭场强低于工作场强时，那么在操作过电压下所产生的局部放电就可能在工作场强下不能熄灭，而形成长时期的局部放电，其结果必然导致电容器的损坏。,2.1.7 并联电容器和谐波

24、的相互影响,3、谐波使电容器寿命缩短,电容器绝缘介质的工作寿命与有机绝缘材料老化的一般规律相同，即：,式中， 绝缘介质的工作寿命 U电容器的工作电压； r取决于介质材料与结构的指数，一般为79； A常数。,当电压升高10%，电容器的寿命就要缩短二分之一左右。,若串联电抗器为5%6%，端电压就为电网电压的1.051.06倍，这样，其电容器的工作寿命就缩短为原来的65% 70%左右。,谐波的存在可能使电压呈尖顶状，试验证明，尖顶的畸变电压波形对介质寿命的影响最为严重。 谐波导致电容器的过电流和过负荷将加速其绝缘介质的老化。,1、电容器组谐波电流放大的原理及谐振的条件,二、电容器组谐波电流放大及谐振

25、的条件,1、电容器组谐波电流放大的原理及谐振的条件,二、电容器组谐波电流放大及谐振的条件,基波时的容抗和感抗：,n次谐波时的容抗和感抗：,1、电容器组谐波电流放大的原理及谐振的条件,二、电容器组谐波电流放大及谐振的条件,进入电容器组的谐波电流：,进入电力系统的谐波电流：,若接入系统的电容器组为纯电容元件，即：,1、电容器组谐波电流放大的原理及谐振的条件,二、电容器组谐波电流放大及谐振的条件,若接入系统的电容器组为纯电容元件，即：, ICn和ISn均可能大于谐波电流In， 即电容对谐波电流的放大现象。,1、电容器组谐波电流放大的原理及谐振的条件,二、电容器组谐波电流放大及谐振的条件,谐波共振的次

26、数：, 对n次谐波电流严重放大：电容器和系统对n次谐波电流均放大。,2、对n次谐波电流严重放大的条件,令 ，结合 和 ，,2、对n次谐波电流严重放大的条件,当谐波次数满足该式时，电容组和系统对n次谐波电流都产生放大。,当 时：电容器和系统的n次谐波电流都达到最大值。,没有接入并联电容器的情况下，谐波共振现象往往发生在千赫频率以 上，而高次谐波电力的幅值极小，即使被增幅，共振作用所造成的影 响也不显著。,在供电系统中，常采用并联电容器进行无功功率补偿，在正弦系统中，补 偿效果是极其显著的。但当系统中含有谐波分量时，并联电容器会使电网 谐波“放大”，甚至与系统的电感发生并联谐振，导致谐波电流严重增大， 造成电容器及电网中电气设备的严重损坏，破坏电网的正常运行。,三、谐波放大的串联电抗器抑制方法,串联电抗器抑制谐波放大的原理,为了抑制谐波电流放大，通常在每相电容器电路中串接一适当大小的空