电力系统论文

摘要对广大供电企业来说，用户功率因数的高低，直接关系到电力网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约电能和整个供电区域的供电质量，这是众所周知的道理。提高电力系统的功率因数和功率因数校正（PFC）已成为电力工业中一个重要课题。文中简要集中探讨了影响电网功率因数的主要因素以及低压无功补偿的几种实用方法，和功率因数校正（PFC）从而提高电力系统功率因数的一般方法。关键词影响因素，供电质量，高次谐波，功率因数校正目录1绪论12功率因数的因素和无功补偿方法421影响功率因数因素4212供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响4213电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响422低压网无功补偿的一般方法5221随机补偿5222随器补偿5223跟踪补偿5224采取适当措施，设法提高系统自然功率因数6225合理使用电动机6227采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数6228合理选择配变容量，改善配变的运行方式723功率因数的人工补偿7231静电电容器补偿7232动态无功功率补偿93单相功率因数校正的基本原理931功率因数的基本概念9311功率因数的定义9312功率因数PF与总电流谐波畸变THD的关系10313功率因数校正的分类1132有源功率因数校正的基本原理1133无源功率因数校正的基本原理124电能质量标准1541电压允许偏差1542公用电网谐波1643电压波动和闪变1644三相电压不平衡1645电网频率17参考文献18结论19致谢201绪论随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置，由于静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”，为此，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准，即供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压不允许平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。而谐波所造成的危害也日益严重，这己经严重阻碍了电力电子技术的发展。功率因数又叫PFC因数,大功率电源中一般都有PFC电路,市电是交流电,如果不整流成直流电,电脑是无法使用的,而功率因数就是将交流电整流成直流电的能力,这个过程是通过PFC电路来实现的PFC电路分为主动式PFC有源和被动式PFC无源两种,主动式PFC电路由高频电感、开关管和电容等元件构成，组成一个可以将输入电压提高的电路，从而减少电流在流向下级电路过程中的电能损耗。简单地说，主动式PFC电路就是一个升压器,具有体积小、重量轻、输入电压范围宽等优越的电气性能，通常它功率因数可达99；被动式PFC结构相对简单，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因素。相对于主动式PFC电路，被动式PFC电路的功率因数要低得多，一般只有7080左右,同时被动PFC结构上和电感类似，在对电流和电压补偿的过程中，始终进行着充放电的过程，因而产生了磁性，最终会和周边的金属元件产生震动进而发出噪音。静音型PFC相当于两个非静音型PFC的叠加，达到震动互相抵消的目的。但是，在消除噪音的手段中，安装是否得当也是对静音效果影响较大的因素。在我们了解上述两种PFC结构后，那么我们在上面提到的PFC因数究竟是什么呢其实电源的PFC因数表示的就是有多少电能被电源利用了输入电源的实际能量电网供给电源的能量对于主动式PFC电路来讲，功率因数可以达到99的水平，而被动式PFC电路只能达到上面所说的7080而已。通俗的说假如一款标称400W的电源，电源需要输入200W电量时,如果它采用了主动式PFC电路，那么电网只需要拉202W200/099电力过来，几乎没有损失,而如果采用的是被动式PFC电路,那么电网需要拉250W200/08左右,损失了50W,也就是说PFC因数是影响一款电源的电能利用率的指标,但损失那50W我们用户是不需要付钱的,因为那归属于是电力局线路上损失,电力局是没有权力向你要钱的。从220V交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。在含有AC/DC变换器的电力电子装置中，DC/DC变换器或DC/AC变换器的供电电源一般是由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平直的直流电压。大家都知道整流器电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的结合，因此，虽然输入交流电压是正弦波，而输入交流电流却是一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，波形严重畸变。对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析，它除含有基波外，还含有大量的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。其主要危害有（1）产生“二次效应”。即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压原来是正弦波发生畸变，影响各种电气设备的正常工作。（2）谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。例如，线路和配电变压器过热、过载。在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗发生LC谐振；在三相电路中，中线电流是三相三次谐波电流的叠加，因此，谐波电流会使中线电流过流而损坏，等等。（3）谐波影响用电设备。例如，谐波电流对电机除增加附加损耗外，还会产生附加谐波转矩、机械振动等，这些都严重影响电机的正常运行谐波可能使白炽灯工作在较高的电压一下，这将导致灯丝工作温度过高，缩短灯丝的使用寿命，等等。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准。（5）谐波会对通信电路造成干扰。电力线路谐波电流会通过电场祸合、磁场祸合和共地线祸合对通信电路造成影响。近年来，高频开关电源在国民生活中的使用越来越广泛，特别是现在提倡“绿色电源”，要求装置对电网无污染，主要包括谐波含量、功率因数、波形畸变等。解决这个问题的积极办法就是改善功率因数，提高供电质量。2功率因数的因素和无功补偿方法21影响功率因数因素首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q0时，则其力率1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。211异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。212供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响当供电电压高于额定值的10时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110时，一般工厂的无功将增加35左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。213电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。22低压网无功补偿的一般方法低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。221随机补偿随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。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。222随器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的补偿方式。配变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，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，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。随器补偿的优点接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。223跟踪补偿跟踪补偿是指以无功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04KV母线上的补偿方式。适用于100KVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。224采取适当措施，设法提高系统自然功率因数提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。225合理使用电动机合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。226提高异步电动机的检修质量实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。227采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。228合理选择配变容量，改善配变的运行方式对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。知道了功率因数的提高对电力企业的深远影响，下面我们将简单介绍对用电设备进行人工补偿的方式和对补偿容量的确定方法。23功率因数的人工补偿功率因数是工厂电器设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标，也是保证电网安全、经济运行的一项主要指标。供电企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足工厂对功率因数的要求，工厂自身还需装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。对用电设备进行人工补偿的方式有231静电电容器补偿当企业感性负载比较多时，它们从供电系统吸取的无功是滞后（负值）功率，如果用一组电容器和感性负载并联，电容需要的无功功率是引前（正值）功率，如果电容C选得合适，令QCQL0，这时企业已不需向供电系统吸取无功功率，功率因数为1，达到最佳值。（1）电容器补偿容量的确定移相电容器的补偿容量可由下式确定QCQQPTGTG（21）来计算求出式中QC所需的补偿容量，（KVAR/KW；Q、Q补偿前后无功容量，（KVAR）；P平均有功功率，（KW）；自然功率因数角补偿后功率因数角此外，亦可用查表法来确定补偿容量对某些已进行生产的工矿企业，可由下式确定其有功电能消耗量APPJSTMAXP（KWH）（22）AP有功电能消耗量PJS有功计算负荷TMAXP最大有功计算负荷年利用小时数综合（21）、（22）两式，也可求出所需的移相电容器的三相补偿容量。（2）并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的大小UECUGCNQGCQC式中UEC电容器的额定电压（KV）UGC电容器的工作电压（KV）N并联的电容器总数QGC电容器的工作容量（KVAR）QC电容器的补偿容量（KVAR）232动态无功功率补偿动态无功功率补偿一般应用于用电容量大、生产过程其负载急剧变化且具有重复冲击性的大型钢铁企业。这种波动频繁、急剧、幅值很大的动态无功功率，采用调相机或固定电容器进行补偿已远远满足不了要求，目前一般采用的新型动态无功功率补偿设备是静止无功补偿器。它具有稳定系统电压、改善电网运行性能、动态补偿反应迅速、调节性能优越等优点。但最明显的缺点是投资大、设备体积大、占地面积大。3单相功率因数校正的基本原理31功率因数的基本概念311功率因数的定义功率因数PF是指交流输入有功功率P与输入视在功率S的比值。即1111COSCOSRMRMTALVIIPFR式中表示输入基波电流有效值；1RMSI表示输入总电流有效值；TOALR表示输入电流失真系数；1CSRMTOALIV表示基波电压与基波电流之间的相移因数，因此功率因数PF又可定义为输入电1COS流失真系数R与相移因素的乘积。1CS312功率因数PF与总电流谐波畸变THD的关系根据总谐波畸变的定义22230011NRMSRMSRSNRMSIIITHD式中为N次谐波电流有效值；RSI因此功率因数（）的表达式可变换为PF11CORMSI112223COSRMSRMSRSNRNIII即PF12CSTHD由上式可以看出，可以采用两种方法来提高功率因数PF一是就最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使THD值达到最小；二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使L，从而实现功率因数校正。利用功COS率因数校正技术，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈纯正正弦波，并且和输入电压同相位。313功率因数校正的分类PFC技术的主要方法可以分为无源PFC技术和有源PFC技术。无源PFC技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现PFC功能，主要优点简单、成本低及电磁干扰（EMI）小等。主要缺点难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的的充放电电流等。有源PFC技术采用有源器件，如开关管和控制电路，通过控制开关管的动作，实现输入电流跟随输入电压波形的变化，从而获得高的功率因数。有源PFC技术主要优点功率因数高，总谐波畸变（THD）小，输入电压工作范围宽，输出电压可保持稳定等；主要缺点是电路复杂，成本增加，效率会下降。有源PFC技术已经广泛应用在ACDC开关电源，UPS电源，电子镇流器等电子仪器中。32有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正APFCACTIVEPOWERFACTORCORRECTION的基本电路由两大部分组成主功率电路和控制电路，如图21所示。其基本思想是将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进行DCDC变换。通过相应的控制PWM调制使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，呈正弦波形，且相位差为零，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现其功率因数为1。现有的APFC电路一般都采用双环控制，内环为电流环，用来实现DCDC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同外环为电压环，可保持输出电压稳定，从而使DCDC变换器输出端成为一个直流电压源。图31整流器DC/变换器驱动电路乘法器电流检测UINIICHGC负载波形信号交流输入图31给出了经过校正的输入电流波形主电路为BOOST型。由图可见，输入电流经PWM脉冲宽度调制，使原来呈脉冲状的波形，被调制成接近正弦含有高频纹波的波形。在一个开关周期内，当开关导通时，电感电流等于开关导通电流。当开关关断时，流过开关的电流为零。含有高频纹波的输入电流，经过低通滤波网络，取每个开关周期内的平均值，则可得到较光滑的近似正弦波。33无源功率因数校正的基本原理如图32A至C所示，无源功率因数校正器是通过在输入端插入电感、电容等无源元件来改善电流波形，以提高功率因数。低通滤波器型式无源功率因数校正电路有LC与型两种，其原理如下1当电源负载为非线性负载，如电感性负载或电容性负载时，电源输入端的电流波形会产生相位差，使得功率因数降低，此时，可利用电容/电感所具有的电流相位滞后/超前的特性，对电流波形加以补偿，减少相位差，从而提高功率因数。2若输入电流波形为畸变波形时，可用电容及电感所组成的滤波器滤除高次谐波，留下基波，以提高功率因数。无源功率因数校正器结构简单、成本低、可靠性高。但缺点很明显1无源滤波器可视为储能网络，向整流器提供的瞬时能量较大，这增加了无源器件的体积和重量。2电路工作时，电感与电容间有较大的充放电电流，峰值电流较高，对器件要求高且易造成交流电流失真；峰值电流较大使电源效率降低。3运行情况受系统阻抗的影响，若不使用调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振。4PF值较低，输入电压范围窄，只能提供短的保持时间，而且输出电流含低频纹波。图32A仅用电感滤波的无源功率因数校正器结构框图图32B用LC型滤波的无源功率因数校正器结构框图图32C用型滤波的无源功率因数校正器结构框图综合以上可知，以无源器件来改善PF值的效果有限，且体积与重量均无法满足讲究轻、薄、短、小的新一代电源的要求，因此工作在高频的有源功率因数校正器近几年广泛应用并发展。4电能质量标准41电压允许偏差用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，电压偏差计算式如下电压偏差（）（实际电压额定电压）/额定电压100（1）电能质量供电电压允许偏差（GB1232590）规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为（1）35KV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的55；（2）10KV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的77；（3）低压照明用户为额定电压的510。为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据。在工业企业中，改善电压偏差的主要措施有三（1）就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的源，因此，就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。（2）调整同步电动机的励磁电流，在铭牌规定植的范围内适当调整同步电动机的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达到改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。（3）采用有载调压变压器。从总体上考虑无功负荷只宜补偿到功率因数为090095，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差，这就需要分区采用一些有效的办法来解决，采用有载调压变压器就是有效而经济的办法之一。42公用电网谐波谐波（HARMONIC）即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。电能质量公用电网谐波（GB/T1452993）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值，详见表1该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（225次）注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。43电压波动和闪变电压波动（FLUCTUATION）即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变（FLICK）即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。电能质量电压波动和闪变（GB123262000）是在原来标准GB1232690的基础上，参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC610037等而修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值，这些数值仅适用于公共连接点（PCC）点连接的所有用户为同电压等级的用户场合，PST为短时间闪变值，即衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量值；PLT为长时间闪变值，它由PST推算出，反映出长时间（若干小时）内闪变强弱的一个统计量值。44三相电压不平衡电能质量三相电压允许不平衡度（GB/T155431995）适用于交流额定频率为50HZ电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡，该标准规定电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2，短时间不得超过4。而且该标准还解释不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用95概率值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测量的95概率值对比；以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。45电网频率电能质量电力系统频率允许偏差（GB/T159451995）中规定电力系统频率偏差允许值为02HZ，当系统容量较大时，偏差值可放宽到05HZ05HZ，标准中并没有说明系统容量大小的界限，而在全国供用电规则中有规定“供电局供电频率的允许偏差电网容量在300万千瓦及以上者为02HZ；电网容量在300万千瓦以下者为05HZ。”实际运行中，我国各跨省电力系统频率都保持在01HZ01HZ的范围内，这点在电网质量中最有保障。参考文献1路秋生有源功率因数校正及应用核工业自动化，2001,22王兆安,黄俊电力电子技术,机械工业出版社,20003靳龙章，丁毓山电网无功补偿实用技术M中国水利水电出版社，20044肖运新用电监察M水力电力出版社，20035吴晓XGA型自动跟踪补偿装