裴云慶：配電網(wǎng)無功補償及相關技術問題

1、1配電網(wǎng)無功補償及相關技術問題西安交通大學2013-12-152目目 錄錄1 無功功率與諧波的概念與計算無功功率與諧波的概念與計算2 線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償3 動態(tài)負載條件下的無功補償方法動態(tài)負載條件下的無功補償方法4 非線性負載條件下的無功補償非線性負載條件下的無功補償5 其他新型無功補償裝置簡介其他新型無功補償裝置簡介31 1 無功功率與諧波的概念與計算無功功率與諧波的概念與計算 多數(shù)電力負荷的電流與電網(wǎng)電壓間存在相位差。多數(shù)電力負荷的電流與電網(wǎng)電壓間存在相位差。 隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶

2、來的來的諧波和無功諧波和無功問題日益嚴重，引起了關注。問題日益嚴重，引起了關注。無功的危害：v導致設備容量增加。v使設備和線路的損耗增加。v線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害：v降低設備的效率。v影響用電設備的正常工作。v引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。v導致繼電保護和自動裝置的誤動作。v對通信系統(tǒng)造成干擾。41.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎1） 諧波對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)傅里葉級數(shù)： n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 （1） 電流諧波總畸變率THDi（Total Har

3、monic distortion）定義為 （2）正弦波電壓可表示為：)sin(2)(utUtu 基波（fundamental）頻率與工頻相同的分量 諧波頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量 諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比%1001IIHRInn%1001IITHDhi51.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎2） 功率因數(shù) 正弦電路中的情況電路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：（3） 視在功率視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI （4） 無功功率無功功率定義為： Q=U I sin （5） 功率因數(shù)功率因數(shù)l 定義為有功功率P和視在功率S的比值： （6） 此時無功功

4、率Q與有功功率P、視在功率S之間關系：（8） 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的:l l =cos （7）SPl20cos)(21UItuidP222QPS61.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎 非正弦電路中的情況非正弦電路中的情況 有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式 定義。v 不考慮電壓畸變時，非正弦電路的有功功率： P=U I1 cos 1 （9）v功率因數(shù)功率因數(shù)為：（10） 基波因數(shù)基波因數(shù)n n =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數(shù)位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cos 1v功率因數(shù)由基波電流相移基波電流相移和電流波

5、形畸變電流波形畸變這兩個因素共同決定的。11111coscoscosnlIIUIUISPSPl71.1 諧波和無功功率分析基礎諧波和無功功率分析基礎v非正弦電路的無功功率非正弦電路的無功功率 定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權(quán)威的定義。 一種簡單的定義是仿照式（8）給出的： （11） 無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。22PSQ8v 線性負載的功率計算線性負載的功率計算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 常見負載

6、的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析91.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析v 電力電子裝置的諧波及功率因數(shù)電力電子裝置的諧波及功率因數(shù)（1）忽略換相過程和電流脈動，單相橋式全控電路帶阻感負載，直流電感L為足夠大時（12） 電流中僅含奇次諧波。 各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。, 5 , 3 , 1, 5 , 3 , 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIidd101.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析111.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見

7、負載的諧波和無功功率分析 基波電流有效值為基波電流有效值為 （13） i2的有效值的有效值I= Id，結(jié)合式（，結(jié)合式（3-74）可得基波因數(shù)為）可得基波因數(shù)為 （14）電流基波與電壓的相位差就等于控制角電流基波與電壓的相位差就等于控制角 ，故位移因數(shù)為，故位移因數(shù)為 （15） 所以，功率因數(shù)為所以，功率因數(shù)為 （16） 功率因數(shù)計算功率因數(shù)計算nllcos9 . 0cos22cos111IIlcoscos119 . 0221nIIdII221121.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析（2）三相橋式全控整流電路）三相橋式全控整流電路圖1 三相橋式全控整流電路帶阻感負載

8、=30時的波形阻感負載，忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大。以 =30為例，此時，電 流 為 正 負 半 周 各120的方波，其有效值與直流電流的關系為：tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （3-78）（17）dII32131.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析 變壓器二次側(cè)電流諧波分析： 電流基波和各次諧波有效值分別為（18） 電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波。 各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 功率因數(shù)計算功率因數(shù)計算 基波

9、因數(shù)：（19） 位移因數(shù)仍為：（20） 功率因數(shù)為：（21）nllcos955. 0cos3cos111IIlcoscos11955. 031nII, 3 , 2 , 1, 16,661kknInIIIndd141.2 常見負載的諧波和無功功率分析常見負載的諧波和無功功率分析152 線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償v穩(wěn)定的線性負荷可采用并聯(lián)電容（電感）進行無功補償v就近安裝補償裝置可減小線路損耗v計算步驟： 1）了解負載功率（或容量）了解負載功率（或容量）Po、功率因數(shù)、功率因數(shù)l lo o=cos o o等數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù) 2 2）確定補償后的目標功率因數(shù)）確定補償后的目標

10、功率因數(shù)l l1 1=cos 1 1 3 3）計算補償容量）計算補償容量16v 單一負載計算公式如下單一負載計算公式如下：2 線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償121020010001011llllPtgPtgPQQQcv 多個負載計算公式如下多個負載計算公式如下：17v 計算舉例計算舉例 某電機負載，額定功率為100kW，額定狀態(tài)功率因數(shù)為0.8（感性），將其功率因數(shù)分別補償至0.9（感性）和1，求需要設置的補償電容容量。解：功率因數(shù)補償至0.9時：功率因數(shù)補償至1時：2 線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償線性負載條件下系統(tǒng)的無功補償var)k(6 .26)9 . 09 .

11、018 . 08 . 01(10022cQvar)k(75)1118 . 08 . 01(10022cQ183 動態(tài)負載條件下的無功補償方法動態(tài)負載條件下的無功補償方法v 若負載經(jīng)常處于變化狀態(tài)，則應采用具有自動若負載經(jīng)常處于變化狀態(tài)，則應采用具有自動投切功能的無功補償裝置或動態(tài)無功補償裝置。投切功能的無功補償裝置或動態(tài)無功補償裝置。v 具有自動投切功能的無功補償裝置多采用單片具有自動投切功能的無功補償裝置多采用單片機自動計算負載的功率因數(shù)或無功電流，采用接機自動計算負載的功率因數(shù)或無功電流，采用接觸器或晶閘管控制投入電網(wǎng)的電容器容量。觸器或晶閘管控制投入電網(wǎng)的電容器容量。v 動態(tài)無功補償裝置

12、也常稱為靜止無功補償裝置動態(tài)無功補償裝置也常稱為靜止無功補償裝置（SVC）包括晶閘管投切電容器）包括晶閘管投切電容器TSC和晶閘管控和晶閘管控制電抗器制電抗器TCR兩種。兩種。193 動態(tài)負載條件下的無功補償方法動態(tài)負載條件下的無功補償方法v晶閘管投切電容器TSC 交流電力電容器的投入與切斷是控制無功功率的一種重要手段，晶閘管投切電容器TSC是一種性能優(yōu)良的無功補償方式。 基本原理是用交流電力電子開關來投如或者切除電容器，兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用。 圖圖2 TSC基本原理圖基本原理圖a) 基本單元單相圖基本單元單相圖 b) 分組投切單相圖分組投切單相圖圖圖3 T

13、SC理想投切過程原理說明理想投切過程原理說明203 動態(tài)負載條件下的無功補償方法動態(tài)負載條件下的無功補償方法v晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器TCR 是晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負載的一個典型應用，通常為支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。 通過對角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率。 圖圖4 晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器(TCR)電路電路圖圖5 TCR應用系統(tǒng)示意圖應用系統(tǒng)示意圖214 非線性負載條件下的無功補償非線性負載條件下的無功補償v 若負載為非線性負載（產(chǎn)生較大諧波電流），若負載為非線性負載（產(chǎn)生較大諧波電流），或電網(wǎng)電壓畸變較高，

14、則采用并聯(lián)電容進行無功或電網(wǎng)電壓畸變較高，則采用并聯(lián)電容進行無功補償時可能發(fā)生諧振，出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象。補償時可能發(fā)生諧振，出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象。v 傳統(tǒng)的并聯(lián)電容（或電感）補償方案有時不能傳統(tǒng)的并聯(lián)電容（或電感）補償方案有時不能提高系統(tǒng)功率因數(shù)。提高系統(tǒng)功率因數(shù)。224 非線性負載條件下的無功補償非線性負載條件下的無功補償圖圖6 含有諧波的配電系統(tǒng)示意圖含有諧波的配電系統(tǒng)示意圖v 當電網(wǎng)諧波電壓頻率滿足當電網(wǎng)諧波電壓頻率滿足 時，時，電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振。電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振。v 當負載諧波電流頻率滿足當負載諧波電流頻率滿足 時，時，電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振。電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振。v兩種情況下，電網(wǎng)電流、兩種情況下，

15、電網(wǎng)電流、電容電壓（即負載電壓）的電容電壓（即負載電壓）的諧波含量將顯著增大，甚至諧波含量將顯著增大，甚至導致設備損壞。導致設備損壞。CLfsh21CLfsh21234 非線性負載條件下的無功補償非線性負載條件下的無功補償解決方案解決方案1：v 當僅對負載的基波無功功率進行補償時，在并聯(lián)電容中當僅對負載的基波無功功率進行補償時，在并聯(lián)電容中串聯(lián)電抗器，使系統(tǒng)在諧波頻率下不發(fā)生諧振。串聯(lián)電抗器，使系統(tǒng)在諧波頻率下不發(fā)生諧振。v 例如：例如： 取取 可避免發(fā)可避免發(fā)生頻率大于生頻率大于fh的諧振現(xiàn)象。的諧振現(xiàn)象。圖圖7 采用串聯(lián)電抗器的無功補償裝采用串聯(lián)電抗器的無功補償裝置示意圖置示意圖CfLhf

16、2)2(1244 非線性負載條件下的無功補償非線性負載條件下的無功補償解決方案解決方案2：v 當需要對負載諧波電流進行治理時，在并聯(lián)電容中串聯(lián)當需要對負載諧波電流進行治理時，在并聯(lián)電容中串聯(lián)電抗器，其在負載電流諧波頻率處諧振，構(gòu)成調(diào)諧濾波器。電抗器，其在負載電流諧波頻率處諧振，構(gòu)成調(diào)諧濾波器。v例如：例如： 取取 可使可使負載電流中頻率為負載電流中頻率為fh的諧波電流的諧波電流流入濾波器，避免流入電網(wǎng)。流入濾波器，避免流入電網(wǎng)。圖圖8 采用調(diào)諧濾波器的無功補償裝采用調(diào)諧濾波器的無功補償裝置示意圖置示意圖CfLhf2)2(125v靜止無功發(fā)生器靜止無功發(fā)生器 SVG 靜止無功發(fā)生器靜止無功發(fā)生器

17、指由自換相的電力電子橋式變流器來進行動態(tài)無指由自換相的電力電子橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。功補償?shù)难b置。 SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。由于分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。由于運行效率的原因迄今投入實用的運行效率的原因迄今投入實用的SVG大都采用電壓型橋式電路。大都采用電壓型橋式電路。圖圖9 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型橋式電路）采用電流型橋式電路5 其他新型無功補償裝置簡介其他新型無功補償裝置簡介265)(15)(1 222LLLLCRCRCRR當當與傳統(tǒng)SVC相比較 SVC所能提供的最大