电网无功补偿与滤波技术

1电网无功补偿与滤波技术1无功功率的分类1.1感性无功功率所有接于单相和三相交流电网，并按电磁感应原理工作的电气设备，在建立磁场时需要磁化电流，磁化电流（也称为无功电流）滞后电网电压90，不参与能量转换。感性无功电流会加重发电机、输电线路和变压器的负荷，产生损耗，影响输配电系统的经济性。典型的感性无功负载为：异步电动机变压器放电灯裸导线调控运行的变流器变流器的感性无功功率又可分为：换向无功功率由换向回路电感和负载电流引起。控制无功功率在采用移相控制时，由变流器输出电压和负载电流产生。畸变无功功率由网侧非正弦电流产生。变流器的网侧电流中含有基波（50Hz）分量和谐波（频率为基波频率的整数倍）分量。1.2容性无功输出容性无功的设备可以对需要感性无功的设备进行补偿，主要有：并联电容器电缆过激磁的同步电机2空载运行的高压输电线因为容性无功也会增加输电系统的负荷并产生损耗，所以对感性负载采取就近补偿效果最好。在理想补偿情况下，QL-QC=0，电网只输送有功功率，使其输电能力得到提高，见图1。为了保证电网的输电经济性，我国《全国供用电准则》规定了各级各类电力用户应达到的功率因数值，有关部门制定了功率因数的奖惩细则，见表1。功率因数的计算：功率因数为有功功率和视在功率的比值：cos=P/S也可以按电度计算功率因数：11cos21WBEE式中：EB——无功电度EW——有功电度感性无功功率为：如果选择电容器功率Qc=QL，则功率因数为1。实际工程中应根据负荷情况和当地供电部门的要求，确定补偿后应达到的功率因数值，然后计算电容器安装容量：Qc=P(tan1–tan2)因为同步电机的使用场合有限，提高功率因数通常采用并联电容器方式。22LPSQ31.00.90.80.70.60.50.30.20.4cos2.03.04.05.06.07.08.09.01020-Pv-SP.U.图1在有功功率为常数时，视在功率S和损耗功率Pv与功率因数的关系，参考值1对应cos=1，p.u=单位值。表1功率因数奖罚表表1-1按功率因数减免电费表月平均功率因数0.850.860.870.880.890.900.910.920.930.940.950.960.970.980.991.0全部电费的减少(℅)00.51.01.52.02.22.52.73.0表1-2按功率因数增收电费表平均功率因数0.840.830.820.810.800.790.780.770.760.750.740.730.72增收（℅）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5平均功率因数0.710.700.690.680.670.660.650.640.630.620.610.60增收（℅）7.07.58.08.59.09.5101112131415备注自0.59以下，每降低0.01，增收全部电费2℅42.无功功率的效应各种负载均会使输电系统产生损耗，并导致电压矢量在长线和纵向方向降落，其中长线压降最有意义，它由阻性分量和感性分量组成。长线电压降u按下式计算：%100)sincosXR((R/X)1SSu2k式中：S——负载视在功率——电流电压相位角（正：感性负载负：容性负载）R——电网电阻X——电网电抗kS——负载与电网连接处的短路功率在电力系统中，R/X的比值通常较小（约为1：10），所以在进行估算时可以忽略电阻分量，则上式变为：%100sinSSukSsin对应于负载的无功需量QL。可见电压降主要由负载吸收的无功功率引起，即：100%SQukL为了减少设备感性无功功率引起的电压降及损耗，必须通过容性无功功率进行补偿。如果将负载的自然功率因数cos1提高到cos2，需要补偿电容功率为：)coscossin(sinSQ12211C当被补偿的负载停止运行，而电容器继续接于电网时，则会出现过补偿，相移系数将变为负，极限情况下=90，此时由于过补偿引起的电压升高为：100%SQuk1C5当变压器的副边接有电容器时，如果忽略电阻分量，电压升高按下式计算：%uSQukN1C式中：uk——变压器短路电压（%）QC1——变压器的容性负载SN——变压器额定容量+u——变压器副边电压升高（%）。一般来讲，电容器引起的电压升高不会达到很严重的程度（见图2）。UR+△UXUXURU1L2U2L2U2U1△URURUX-△UX-△UI2UXU1XRU2图2接有感性和容性负荷的电网等效图3电网中不含谐波情况下的无功补偿3.1单机补偿单机补偿主要用于长时间运行的大功率负载，补偿电容器直接和负载并联，与负载同时投入和切除，感性和容性电流相互补偿的路径最短。单独补偿时电容器可以不用开关或熔断器，但是连接导线的截面应按最小短路电流值选取。在对异步电机进行固定补偿时，补偿容量不得大于电机的空载无功功率，以避免空载时出现过补偿和防止电机停止运行后发生自激。从安全角度考虑，补偿功率不应超过电机空载无功功率的90%，即：(var)3UI0.9Q0C6式中：I0——电机空载电流（A）U——电机额定工作电压（V）3.2变压器的单独补偿许多情况下需要在变压器的副边侧安装固定补偿装置，此时变压器和补偿电容器形成一个相对于上级电网的串联谐振回路，见图3。如果上级电网中有谐波源负荷（晶闸管变流器等），当串联谐振频率和谐波频率相近或一致时，将会有较大的谐波电流流过变压器和补偿电容组成的串联谐振回路，会造成变压器特别是电容器的过负荷，同时使低压侧电压波形发生畸变。当电网中接有音频控制系统时，变压器和补偿电容的串联谐振频率不得与控制频率接近，否则会将控制信号短路。变压器的漏感LT按下式计算：1N2xTS100UuL短路阻抗ux为%值；ux=2r2kuu在近似计算时uxuk。在忽略电网电阻分量的条件下，电网电感LN按下式计算：图3等效图中的L和C应按相同电压等级计算。2Nk11.1ULS7电网变流器SKvSNUKTQc～MU～～～vLNLTCLM图3变压器与电容器的串联谐振如果供电部门不允许向上级电网输送容性无功，则变压器固定补偿的容量不得大于变压器的空载无功功率。如果没有上述限制，则电容器容量理论上可以按变压器额定功率计算，以便同时补偿负载的无功功率，此时须注意谐振及过补偿引起的电压升高问题（见图4）。变压器和电容器的串联谐振次数按下式计算：k1CN1ruQ100Sr式中：SN——变压器额定功率uk——变压器短路电压（%）QC1——变压器副边固定补偿电容器容量1——电网额定工频时的角频率r——谐振频率时的角频率。8WrW1Qc1SN)(fVrW1WrSNQc110%8%6%UK=4%QC1UKSN15100.5=5=0201.0图4低压并联电容器与变压器的串联谐振频率（在不同补偿度QC1/SN和变压器不同短路电压情况下）3.3集中补偿集中补偿主要用于减少甚至完全抵消上级电网向本级电网的无功输送，通常采取调节运行方式，无功控制器将功率因数的实际值与给定值进行比较，然后发出指令，控制电容器支路的投切。低压无功补偿装置的额定电压分为400V、525V和660V几种，电容器支路数可以根据用户需要确定，通常为8至12支路，并具有不同的容量组合，以适应各种负荷需求。补偿装置采用GGD或PGL等标准壳体，也可以做成抽屉单元式，便于与低压配电设备并屏，连接方式有母线式和电缆式两种，电缆接线适用于单独安装或与特定设备配套。屏内装有无功控制器、电容器、串联电抗器、开关及接触器、保护装置等，根据快速调节的需要还装有放电线圈。每个标准屏最大可以安装600kvar的电容器。集中补偿也可用于高压电网（10kV和35kV），其优点是覆盖范围大，可以保证整个系统的功率因数值，但是这种方式也有缺点，主要表现在无功功率需要较长距离的传输，另外高压接触器需要满足频繁操作的要求，采用真空接触器可以比较好的解决这个问题，采用组装式结构，应用于所有用电场合。94电网中含有谐波情况下的无功补偿4.1对变流器负荷的补偿当电网接有谐波源负载（例如变流器）时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路（见图5），谐振频率为：CL1N1或者CLω1N1r式中：1——电网基波频率LN——电网及负载电感值（相）C——电容器容抗值（相）r——谐振频率次数。LNlvC～MC电网lv～～～lv负载阻抗电网阻抗电容器电容器谐波源图5电容器与电网的并联在对谐振频率进行估算时，可以根据电网短路功率kS和电容器基波补偿容量QC1计算：1Ck1rr/QS10Qc1Sk)(SkQc1fVrω1ωrQc1Sk2830242226201618141012864210-198765432*10-2-2102*10-3-3Vr3465789010图6电容器与电网的并联谐振频率（根据电容器基波功率与电网短路功率的比率）从图7可见，在5次谐波频率下电网具有谐振特性，并联阻抗XP大大升高，由谐波源输出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的谐波电流的数倍，即发生谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况下负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，会加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器的容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。实际上电网阻抗并不为常数，而是处于不断变化之中，很难完全避开谐振，特别当电容器分组调节运行时，情况更为复杂。当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时，必须采取技术措施，将并联谐振点移到安全位置，而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。11f(HZ)-4-5容性-2-350-110250350575501165013v感性123456X7XCXPXLLXCXLXPXP～～～XCXLXT+电网LTSC图7并联谐振回路阻抗曲线（fp=250Hz）4.2电容器回路串电抗电容器串联电抗后形成串联谐振回路，在谐振频率处呈现很低的阻抗（理论上为0），如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，可以吸收大部分谐波电流，称为纯滤波回路。如果只是吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。4.2.1失谐滤波回路失谐滤波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，一般为基波频率的3.8~4.2倍。工程计算公式为：电抗器电抗XL=电容器容抗XC的百分比（x%）或者：电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比（x%）电抗器的电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%~7%。串联谐振次数按下式计算：x11rr例如在选择串联电抗率x=6%时，串联谐振次数为r=4.08。12失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。4.2.2纯滤波回路纯滤波回路的主要用途是吸收谐波电流，同时补偿基波无功。从图8可见，在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗XS接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。在谐振频率以下滤波回路呈容性，因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路（见图9）。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。设计滤波回路时，应从最低次特征谐波开始，例如对于6脉动三相桥式变流器，应从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率见图10。XCXSXLLXSXSLCXCXLv1311Xc751f(HZ)6505503502505076543210-1-2-3-4-5图8250Hz串联谐振回路13～～～XPX