動態(tài)無功補償裝置技術培訓2010年-08-18

無功功率補償諧波治理動態(tài)無功補償概述動態(tài)濾波無功補償概述背景知識第一頁，共43頁。無功補償的概念與作用國家相關政策無功功率補償第二頁，共43頁。無功補償的概念與作用有功功率、無功功率與功率因數自然功率因數與標準功率因數功率因數低的不良影響無功補償原理無功補償的意義和作用第三頁，共43頁。有功功率、無功功率與功率因數電源升壓變壓器降壓變壓器輸電線電力用戶MPL+jQLPG+jQG?P+j?Q交流發(fā)電機輸出的功率(視在功率-容量)(kVA)有功功率(kW):用于做功和發(fā)熱損耗的那部分電能。例如：轉換成機械能、熱能、光能等；方向：電源至負載。一個周期的平均功率大于零。無功功率(kVar):用于電路內電場與磁場交換的那部分電能。方向：上半周期從電源至負載，下半周期從負載至電源。一個周期的平均功率等于零。電能形成（電源）電能轉換（負載）第四頁，共43頁。功率因數：有功功率出力在設備容量中所占的比重。節(jié)電：PScos1.0Q0或功率三角形SPQ第五頁，共43頁。自然功率因數負荷自然功率因數：無功補償前負荷的功率因數cos=P/S負荷空載25％50％75％滿載配電變壓器0.15以下0.670.730.750.76感應電動機0.2以下0.5-0.550.7-0.750.8-0.850.85-0.9典型負荷功率因數表：電焊設備0.35-0.60鍛壓設備0.55-0.65工業(yè)電熱0.5-0.85金屬加工0.55-0.65鑄鋼鑄鐵(中頻爐)0.88-0.97家用電器照明電器0.5-0.80.3-0.7提升、皮帶0.5-0.75水泵風機0.70-0.80冷軋設備0.3-0.7第六頁，共43頁。功率因數低的不良影響1、降低發(fā)電機的輸出功率，當發(fā)電機需提高功率無功輸出，低于額定功率因數運行時，將使發(fā)電機有功輸出降低。2、降低了變電、輸電設施的供電能力。3、使網絡電力損耗增加（網絡中的電能損失與功率值一平方成反比），如電機、變壓器、電力電纜等。4、功率因數愈低線路的電壓降愈大，使得用電設備的運行條件惡化。第七頁，共43頁。無功補償原理功率平衡：系統(tǒng)P+jQ負載-jQC無功補償原理圖PL+jQL0.1cos0{:)(cos)(1====-==-+=-+=+-QPPQQPQtgQQQPPQQjPjQjQPjQPLCLCLLCLLCLL時當cos=第八頁，共43頁。無功補償的意義和作用意義：

就近提供負載所需的無功功率，避免負載與電源進行無功功率交換。作用：減少由于無功功率在電路內往返傳輸過程中引起的電能損失；減少由于無功功率在電路內往返傳輸過程中引起的電壓損失；增加設備輸電能力；提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第九頁，共43頁。國家相關政策節(jié)電措施

各級電壓的電力網和電力用戶都要提高自然功率因數，并按無功分層分區(qū)和就地平衡以及便于調整電壓的原則，安裝無功補償設備和必要的調壓裝置。

電能質量與節(jié)電監(jiān)察

各級電力部門要對所管轄電網(包括輸配電線路、變電站和用戶)的電壓質量和無功電力、功率因數和補償設備的運行進行監(jiān)察、考核。各電力用戶都要向當地供電部門按期報送電壓質量和無功補償設備的安裝容量和投入情況，以及無功電力和功率因數等有關資料。電網和用戶都要提高調壓裝置和無功補償設備的運行水平。

第十頁，共43頁。規(guī)定用戶標準功率因數

用戶在當地供電局規(guī)定的電網高峰負荷時的功率因數，應達到下列規(guī)定：

高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負荷調整電壓裝置的電力用戶功率因數為0.90及以上，其他100kVA(kW)及以上電力用戶和大、中型電力排灌站功率因數為0.85及以上，農業(yè)用電功率因數為0.80及以上。凡功率因數未達到上述規(guī)定的新用戶，供電局可拒絕接電或加收力率調整費。

(能源電［1988］18號

，電力系統(tǒng)電壓和無功電力管理條例)

第十一頁，共43頁。功率因數考核和電費調整為調動用戶改善電壓，管好無功設備的積極性，凡受電容量在100kVA(kW)及以上的用戶均應按國家批準的《功率因數調整電費辦法》的有關規(guī)定，實行功率因數考核和電費調整。用戶總電費的計算

總電費＝（高峰電度電費＋平段電度電費＋低谷電度電費＋基本電費）×（１±功率因數獎懲率）＋城市建設附加費

（關于實行峰谷電價的通知，粵價〔2003〕19號）第十二頁，共43頁。諧波治理諧波概述諧波的危害諧波治理的意義第十三頁，共43頁。諧波概述 1、諧波定義

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1)稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分數諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。電工技術領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般為2≤n≤40。第十四頁，共43頁。2、諧波源

向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設備，交流控制器和電弧爐、中頻爐、感應爐、熒光燈等。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產生諧波的電氣設備，例如晶閘管電路供電的直流提升機、交-交變頻裝置、軋鋼機直流傳動裝置、晶閘管串級調速的風機水泵和冶煉電弧爐等。

第十五頁，共43頁。諧波的危害電流和電壓波形畸變；電壓波動及閃變加劇；功率因數降低；供、配、用電設備發(fā)熱嚴重，電網供電能力（容量）下降，用電設備的利用率降低；線路和變壓器損耗增加并加速老化；電子設備及控制系統(tǒng)受干擾而無法正常工作，繼電器誤動作；傳統(tǒng)的無功功率補償裝置損壞（電容器損壞）加劇，運行費用增加；

第十六頁，共43頁。諧波治理的意義 對電能質量已經不能僅用頻率和電壓這兩個指標來評價了，諧波已成為電能質量另一個重要指標。因此，無論是從保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經濟運行的角度，還是從用戶用電設備的安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內，還電網一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網”，諧波治理具有十分重大的意義。

第十七頁，共43頁。動態(tài)無功補償及動態(tài)濾波補償概述動態(tài)功率補償：投切開關采用大功率電力電子開關器件和微處理器控制技術快速滿足電網的無功需求，維持高瞬時功率因數值。動態(tài)無功補償響應時間迅速可達20mS。動態(tài)濾波無功補償：在濾除諧波與補償無功功率能同時滿足電網要求。第十八頁，共43頁。RTSC動態(tài)無功補償裝置主要器件第十九頁，共43頁。塑殼斷路器：動態(tài)投切開關：采用先進的大功率晶閘管電流零過度投切技術，在10ms內完成投切，實現零電流投入零電流切除，確保無涌流，無沖擊；同時配置智能型微機數字驅動、保護模塊。濾波電容器：中外合資佛山市順德潤華電力電容器有限公司該公司所生產濾波電容器，可以長期承受的諧波電流為基波電流的2倍。電容量制造精度小于1%，以保證濾波器有較低的諧振阻抗。電容器為防爆濾波電容器。濾波電抗器：采用鐵芯閉合磁路結構，具有防止電磁場輻射的屏蔽磁路，不產生射頻干擾影響其它控制設備，電感量制造精度小于1%。動態(tài)濾波無功補償控制器電容器保護單元第二十頁，共43頁。RTSC動態(tài)無功補償裝置技術參數1.額定工作電壓：AC0.4kV～1kV電壓畸變率： 滿足GB/T14549－93《公用電網諧波》標準規(guī)定的要求。3.功率因數：COSφ≥0.904.工作電壓、電流：裝置允許在1.1倍的額定電壓或1.3倍的額定電流下長期工作。5.動態(tài)響應時間：<20ms。補償總容量：根據客戶實際需求7.主接線方式：三相(角形接法)或星形接線

。8.保護功能：裝置設計有相應的保護及信號設施。主要有：短路保護；過流保護；過壓保護；失壓保護；單臺電容器還有單臺熔斷器保護。第二十一頁，共43頁。RTSC動態(tài)濾波補償裝置特點1、動態(tài)投切開關 通過控制晶閘管實現各次濾波器組無觸點自動投切，采用先進的晶閘管柔性投切技術（FACTF）和特殊工藝設計的濾波器，避免了傳統(tǒng)接觸器投切及晶閘管過零投切時產生的涌流、暫態(tài)沖擊，無需放電即可再投。延長了動態(tài)補償系統(tǒng)的使用壽命。2、諧波濾除兼無功補償 不僅可以自動跟蹤系統(tǒng)無功負荷變化，進行快速無功補償，還可以濾除電力系統(tǒng)中的諧波電流，保證用戶功率因數在規(guī)定的范圍內。并且由于電容器與電抗器串聯。3、響應迅速 濾波器組由控制器控制投切，提高了濾波器組的快速響應能力，可根據配電系統(tǒng)的負荷情況動態(tài)頻繁的投切。動態(tài)響應時間不超過20ms。第二十二頁，共43頁。4、控制、裝置功能先進 功能強大、易于調試的液晶顯示控制器，可實時顯示系統(tǒng)電壓、功率因數、投入系統(tǒng)濾波器的組數、系統(tǒng)電流等數據?？蓪β室驍怠⑦^壓值、失壓值、過流值、諧波畸變率值、投切延時等參數進行編程。有過壓、過流、欠流等報警功能。5、合理的濾波補償設計方案 根據客戶系統(tǒng)專門設計，濾波效果明顯，補償后功率因數滿足要求。裝置所采用的晶閘管投切電力濾波器這一新技術的應用，為配電系統(tǒng)提供了一種動態(tài)補償提高功率因數、濾除諧波及穩(wěn)定電壓改善電能質量，降損節(jié)能的新手段。第二十三頁，共43頁。第二十四頁，共43頁。RTSC動態(tài)濾波補償裝置優(yōu)點1、準確的測量及完善的設計

設計濾波器的首要條件是諧波測量的準確性，有了準確的測量加上完善的設計才能得到良好的濾波效果。我公司采用的A級精度的電能質量測試儀保證了測量的準確性，采用的高端設計和仿真軟件有效的保證了設計的完善性和可靠性。2、可靠的晶閘管觸發(fā)

我公司研制開發(fā)的晶閘管觸發(fā)控制電路，采用晶閘管柔性投切技術（FACTF）。這種技術可有效的解決采用傳統(tǒng)晶閘管電壓過零投切技術時產生的過電壓、過電流、暫態(tài)沖擊等問題。充分解決了晶閘管觸發(fā)可靠性低、波形畸變、晶閘管損壞的問題。3、完善的保護

可以實現長期免維護。保護功能包括濾波器組過電流保護、晶閘管過熱保護、過壓保護、欠電壓保護。運行可靠性高。4、精確迅速的控制 動態(tài)功率補償裝置的控制器的控制模塊是以數字信號處理器DSP和高精度采樣電路為基礎，在每一個電網周期對所有數據進行分析。先進的控制方法，在5~20ms內計算出所需要無功補償的技術，在諧波嚴重的情況下能進行理想的動態(tài)補償。第二十五頁，共43頁。裝置適用范圍

該裝置廣泛應用于電力、鋼鐵、煤礦、鐵道、石油、機械、冶煉、化工、造船、港口、輕工、建材、礦山等低壓380v、660v、1000V供配電系統(tǒng)中，要求動態(tài)無功補償且需要抑制或治理諧波的場合，尤其適用于軋機、電焊機、起重機、電梯、行車等有諧波，無功負荷較大且波動頻繁的場合。

第二十六頁，共43頁。各種負荷特點1、煤炭行業(yè)負荷特點

礦井提升機屬于動態(tài)負荷，從提升機啟動、穩(wěn)定到制動一個工作周期一般在幾分鐘之內，而且在這一過程中無功變化大，功率因數在提升階段最低（達到0.2左右），制動階段則較高。提升機啟動頻繁，一般箕斗從井下提升到井上需要2～3分鐘時間，其中加速時間約為10～12秒。大功率提升機普遍采用晶閘管供電的直流系統(tǒng)或交-交變頻調速系統(tǒng)。對電網的供電質量要求較高，在供電突然中斷時，容易產生危險事故，設備損壞，生產中斷，造成企業(yè)重大損失。因此，煤礦企業(yè)負荷屬于重要負荷，必須保證供電的可靠性。第二十七頁，共43頁。2、港口負荷特點

碼頭主要負荷是卸船機、斗輪機、裝船機、皮帶機等設備，這些設備在生產過程中頻繁起動，具有很大的波動性。特別是在吊裝貨物的過程中，無功波動更加明顯，影響電壓穩(wěn)定。電網原采用固定式的電容補償裝置進行功率因數補償，但存在以下問題：1）固定式電容補償裝置，由現場值班人員手動操作。2）功率因數達不到0.9，每年利率調整費額達到幾十萬元。3）備操作頻繁，經常出現故障。4）維護量大。

第二十八頁，共43頁。3、造船、汽車行業(yè)負荷特點 造船、汽車的焊裝車間負荷以點焊機作為單相非線性負荷，具有短時工作制（1秒以內）、頻繁工作、沖擊電流大等特點，給系統(tǒng)帶來一系列不良影響，主要有：1）導致電網三相電流嚴重不平衡，變壓器發(fā)熱嚴重；2）無功消耗大，功率因數偏低。如采用常規(guī)的接觸器投切電容方式，反應速度慢，很難補償到位，經常出現過補償或負補償，極易造成系統(tǒng)故障導致故障跳閘；3）產生高次諧波，電壓畸變嚴重；4)存在嚴重電壓閃變，系統(tǒng)電壓不穩(wěn)，造成焊接質量不穩(wěn)定。第二十九頁，共43頁。4、鋼鐵行業(yè)可逆式冷軋鋼板軋機負荷特點 軋鋼機生產線的電氣傳動采用晶閘管可控整流，帶動軋鋼直流電動機。是一種非線性負荷。主要特點：1）5、7、11、13次等高效次諧波含量大；2)主軋與卷取機功率因數低；3)負荷波動大；第三十頁，共43頁。5、鐵路行業(yè)負荷特點 電氣化鐵路是重要的電力用戶。電氣化鐵路牽引負荷是典型的單相非線性沖擊負荷，它對電網的安全穩(wěn)定和經濟運行產生嚴重的不良影響，具體主要表現在： 1）采用單相供電，造成供電網三相不平衡 2）接觸網因無功壓降導致牽引網末端電壓嚴重降低 3）產生負序電流 4）產生大量高次諧波，使電網電壓波形發(fā)生畸變 5）功率因數低 6）對電網沖擊大，影響電能質量第三十一頁，共43頁。經濟效益分析降損節(jié)能經濟效益分析社會效益分析用途與效果無功功率的節(jié)約當量的定義和意義采用無功功率的節(jié)約當量估算投資回報終端用戶經濟效益分析配電變壓器無功補償經濟效益分析改善電壓質量、提高設備出力改善功率因數、提高設備出力典型負荷----電弧爐的節(jié)電效益第三十二頁，共43頁。無功功率的節(jié)約當量的定義：無功功率的節(jié)約當量的定義第三十三頁，共43頁。用于衡量當某負荷點增加或減少1kVar無功功率時，可以節(jié)約或增加的有功功率損耗值的大小，從而可以粗略估算負荷點進行無功補償是否必要。無功功率的節(jié)約當量是根據實際網絡和運行狀況計算出的，不同的網絡或不同的運行狀況可能差異較大。典型數據：一般來說，三級變壓器供電的無功功率的節(jié)約當量取值范圍：0.10~0.15；四級變壓器供電的無功功率的節(jié)約當量取值范圍：0.12~0.20；配電變壓器一般是三級或四級變壓器供電。四級變壓器供電的末端負荷的無功功率的節(jié)約當量取值范圍：0.15~0.25。無功功率的節(jié)約當量的意義第三十四頁，共43頁。設:無功功率的節(jié)約當量為：0.15（kW/kVar）燃煤發(fā)電投資為：4000(元/kW)我國產值能耗為：404（克標準煤/千瓦時）無功補償容量最大利用小時數為6000小時政府投入1kVar動態(tài)無功補償容量(目前市場行情是500元/kVar)采用無功功率的節(jié)約當量估算投資回報結論：

投資1千乏動態(tài)無功補償容量，可以節(jié)?。喊l(fā)購電投資：600(元),此外,減少能源消耗和環(huán)境污染

4000(元/kW)X0.15（kW/kVar）X1（kVar）=600(元)每年節(jié)省煤耗：363.6（公斤標準煤）404（克標準煤/千瓦時）X0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小時)=363600（克標準煤）=363.6（公斤標準煤）年節(jié)省電耗：900（千瓦時）0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小時)X0.5（元/千瓦時）=900（千瓦時）年節(jié)省電費：450（元）900（千瓦時）X0.5（元/千瓦時）=450（元）投資回報:1、如果終端用戶投入1kVar動態(tài)無功補償，即投入500元，則：終端用戶節(jié)電450元，一年多可收回投資；同時，政府節(jié)省發(fā)購電投資600元2、如果政府投入1kVar動態(tài)無功補償，即投入500元，則：政府節(jié)省發(fā)購電投資600元，不到一年就可收回投資，同時終端用戶節(jié)電450元。3、如果政府與終端用戶各投資一半則：雙方均半年左右就收回投資第三十五頁，共43頁。減少電費支出增加設備出力提高生產質量和生產效率，降低生產成本減少生產或用電設備損耗，提高壽命終端用戶經濟效益分析補償前功率因數節(jié)能效益第三十六頁，共43頁。配電變壓器無功補償經濟效益分析實際問題：變壓器容量：1000kVA，補償容量：480kVar最大負荷年運行小時：5000小時補償前功率因數：0.65，補償后：0.98標準功率因數：0.9，平均電價：0.5元/kW?h補償前線損率：12%，負荷率：0.7萬元算一筆經濟帳：可產生直接經濟效益：(1)可提高終端用戶的變壓器供電能力：336.7kVA，1年內供電企業(yè)有可能多供電創(chuàng)收57.74萬元，可以減少電力增容；(2)降低線損：53%，1年內降低電網電能損耗：10.91萬元；(3)用戶少支出低功率因數罰金：17.06萬元/年;(4)用戶可獲高功率因數獎金：1.28萬元/年；用戶共增收節(jié)支：17.06+1.28=18.34萬元/年投資回報期：如果終端用戶投資動態(tài)無功補償裝置（24萬），則1.3年收回投資。第三十七頁，共43頁。計算依據：(1)1000(kVA)(1－0.65/0.98)=336.7(kVA)336.7(kVA)×0.98×5000(小時)×0.5(元/kW·h)×0.7=577,441(元/年)；(2)12%×53%[1]=6.36%,1000(kVA)×0.98×6.36%×5000(小時)×0.5(元/kW·h)×0.7=109,074(元/年)(3)1000(kVA)×0.65×5000(小時)×0.5(元/kW·h)×0.7×15%(增收率)[2],[3]=170,625(元/年)(4)1000(kVA)×0.98×5000(小時)×0.5(元/kW·h)×0.7×0.75%(減收率)[2],[3]=12,863(元/年)(5)480(kVA)×500(元/kVar)/(170,625+12,863)=1.3（年）[1]陸孟君等,城鄉(xiāng)電力網無功補償技術,水利電力出版社,北京,1988[2]靳龍章等,電網無功補償實用技術,我國水利水電出版社,北京,1997[3]原水利電力部和國家物價局關于“功率因數調整電費辦法”的規(guī)定,北京,1983年第三十八頁，共43頁。若補償前電壓為：V=0.9VN，補償后的電壓為V+V=VN(額定電壓)，則電動機負荷的力矩增加19%。即：V(2V+V)=0.1×(2×0.9+0.1)VN=0.19VN2。即：若無功補償將電壓提高10%，則電動機負荷的出力將增加19%。改善電壓質量提高設備出力第三十九頁，共43頁。提高變壓器的出力（多供電）補償后的功率因數減去補償前的功率因數0.95-0.5=45%，