供配电安全技术-第5讲电能质量与无功补偿

1、供配电安全技术 第五讲：电能质量与无功补偿 中国矿业大学信息与电气工程学院 电气安全与智能电器研究所 刘建华 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院3 一、电能质量简介：内容及标准 1.1.GB/T GB/T 12325-200812325-2008 电能质量电能质量 供电电压允许偏差供电电压允许偏差 2.2.GB/T 12326-2008 GB/T 12326-2008 电能质量电能质量 电压波动和闪变电压波动和闪变 3.3.GB/T 15543-2008 GB/T 15543-2008 电能质量电能质量 三相电压允许不平衡度三相电压允许不平衡度 4.4.GB/T 15945-200

2、8 GB/T 15945-2008 电能质量电能质量 电力系统频率允许偏差电力系统频率允许偏差 5.5.GB/T 18481-2001 GB/T 18481-2001 电能质量电能质量 暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压和瞬态过电压 6.6.GB/T 14549-1993 GB/T 14549-1993 电能质量电能质量 公用电网谐波公用电网谐波 7.7.GB/T 24337-2009 GB/T 24337-2009 电能质量电能质量 公用电网间谐波公用电网间谐波 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院4 一、电能质量简介： 供电电压允许偏差供电电压允许偏差 n电压偏差计算： n供电电压

3、的允许偏差： 1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系 统电压的 10；注：如供电电压上下偏差同号（均为正或负） 时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 2） 10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7 。 3）220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7 、10 。 4）对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议 确定。 100 实测电压标称系统电压 电压偏差(%)% 标称系统电压 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院5 一、电能质量简介：电压波动和闪变电压波动和闪变 l 电压变动特性d(t)：电压方均根值变动的时间函数，以系统标称电压的

4、 百分数表示。 l 电压变动d：电压变动特性d(t)上，相邻两个极值电压之差。 l 电压变动频度r：单位时间内电压变动的次数(电压由大到小或由小到 大各算一次变动)。同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30 ms， 则算一次变动。 l 电压波动：电压方均根值一系列的变动或连续的改变。 电压变动频度r 次/小时 电压变动d的限值 低 压、中压高 压 r143 1r 1032.5 10r 10021.5 100r 10001.251 电力系统公共连接点或波动负荷用户引起的公共连接点电压变动限值电力系统公共连接点或波动负荷用户引起的公共连接点电压变动限值 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学

5、院6 一、电能质量简介：电压波动和闪变电压波动和闪变( (续续) ) l 闪变时间t: 一个有时间量纲的值，表示电压变动的闪变影响，和波形、 幅值以及频度均有关。 l 闪变：灯光照度不稳定造成的视感。 l 短时间闪变值Pst: 衡量短时间(若干分钟)内闪变强弱的一个统计量值。 l 长时间闪变值Plt: 由 短时间闪变值推算出，反映长时间(若干小时)闪变 强弱的量值。 电压等级低压中压高压 短时间闪变值1.00.9(1.0)0.8 长时间闪变值0.80.7(0.8)0.6 注：短、长时间闪变值每次测量周期10min 、2小时；中压 括号中的值仅适用于公共连接点连接的所有用户为同电压 级的用户场合

6、。 电力系统公共连接点各级电压下的闪变限值电力系统公共连接点各级电压下的闪变限值 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院7 一、电能质量简介三相电压允许不平衡度三相电压允许不平衡度 电压不平衡度允许值 l 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2，短时不得超过4(取值 见附录A)。 电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定， 例如旋转电机按GB755旋转电机基本技术要求规定。 l 接于公共接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为13， 根据连接点的负荷状况，邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，可 作适当变动、但必须满足上条的规定。 用户

7、引起的电压不平衡度允许值换算 l 电压不平衡度允许值一般可根据连接点的正常最小短路容量换算为相应的负序 电流值，为分析或测算依据；邻近大型旋转电机的用户，其负序电流值换算时 应考虑旋转电机的负阻抗。有关不平衡度的计算见附录B。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院8 一、电能质量简介电力系统频率允许偏差电力系统频率允许偏差 l电力系统频率允许偏差：正常允许0.2Hz，当系 统容量较小时允许0.5Hz 。 l用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过 0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条 件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发 电机组和用户的交全、稳定运行以及正常供电。

8、2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院9 一、电能质量简介公用电网谐波公用电网谐波 l 总谐波畸变率(THD)：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基 波分量的方均根值之比(用百分数表示)。分为电压总谐波畸变率与电 流总谐波畸变率。 公用电网谐波电压公用电网谐波电压(相电压相电压)限值限值 电网标称 电压kV 电压总谐波 畸变率 各次谐波电压含有率 奇次偶次 0.385.04.02.0 6 4.03.21.6 10 35 3.02.41.2 66 1102.01.60.8 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院10 一、电能质量简介公用电网谐波（续）公用电网谐波（续） l 公

9、共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超 过表2中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短 路容量时，表2中的谐波电流允许值应进行换算即：各次谐波电流分量 各次谐波电流允许值*(公共连接点的最小短路容量/基准短路容量)。 一、电能质量简介暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压和瞬态过电压 n交流电力系统中的电气设备，在运行中除了作用有持续工 频电压(其值不超过系统最高电压 Um,持续时间等于设计 的运行寿命)外，还受到过电压的作用。按照作用过电压 的幅值、波形及持续时间，可分为; n 暂时过电压，包括工频过电压、谐振过电压; n 瞬态过电压，包括操作(缓波前)过电压

10、、雷电(快波 前)过电压 一、电能质量简介暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压和瞬态过电压 n 各类过电压的典型波形如下表 所示： 二、无功补偿简介：标准 1.1.国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则 20042004； 2.2.SD325-89 SD325-89 电力系统电压和无功电力技术导电力系统电压和无功电力技术导 则则; ; 3.3.DL/T 1010DL/T 1010高压静止无功补偿装置高压静止无功补偿装置; ; 4.4.GB/T 15576GB/T 15576低压成套无功功率补偿装置低压成套无功功率补偿装置; ; 5.5.GB 50227GB

11、 50227 并联电容器装置设计规范并联电容器装置设计规范 二、无功补偿简介： 无功补偿的原理无功补偿的原理 n将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容释放能量 ;而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交 换，即感性负荷所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中 得到补偿。因此把由电容组成的装置称为无功补偿装置。 n无功补偿的作用如下图所示:设电感性负荷需要从电源吸取的无功功 率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为QC，使电源输出的无 功功率减少为Q1=Q一Qc，功率因数由cos小提高到cos小、，视在 功率S减少到S . 二、无功补偿简介：无功补偿的主要

12、方法无功补偿的主要方法 n根据补偿装置安装位置的不同，可以将无功补偿分为个别 补偿（随机补偿或就地补偿）、集中补偿、分组补偿（分 散补偿）。三种补偿方式如下图所示： 二、无功补偿简介：无功补偿的主要方法无功补偿的主要方法 n就地补偿就地补偿: :将低压电容器组分散地与用电设 备的供电回路相并联，随用电设备同时投入 或退出运行，使用电设备消耗的无功功率得 到就地补偿，能获得明显的降损效益。 n集中补偿集中补偿: :无功功率补偿装置通过开关接在 母线侧。用以补偿配电变压器、输电线路、 配电线路的无功功率损耗。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院17 三、谐波：谐波的产生 非线性负载产生

13、谐波： l 工业用易产生谐波设备：直流调速器、变频调速 器、不间断电源系统（UPS）、 现代照明系统、 焊接装置 、感应加热炉、整流器、饱和变压器等。 l 民用易产生谐波设备：电视机、空调、计算机、 日光灯、电冰箱等 。 谐波流向： l 谐波电流主要流过电容器。 l 谐波电流也流过电网。 l 谐波电流的流动导致谐波电压。 l 谐波也注入其他接入同一电网总线的线性负载。 l 注入电网的谐波也会流向联网的其他用户。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院18 三、谐波：三相整流产生的谐波 l三相整流设备产生的谐波电流，其谐波次数可按如下公式求 得： N = fn / f1 = K*P1 公

14、式中： N = 谐波次数； fn = 谐波电流频率 ； f1 = 基波电流频率 ； K = 1，2，3， ； P = 整流设备的波头数（6、12、 24）。 例如：6 波头的整流器将产生 5，7，11，13 次谐波。 l三相整流设备产生的谐波电流值可按如下公式求得： In = I1 / N 公式中： In = N 次谐波的电流值;I1 = 基波电流值;N = 谐波次数。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院19 三、谐波：谐波的种类 l 特性谐波： 与相关回路结构相关. 有规律的谐波次数. 谐波频率可由公式 k*p+1 ; k = 1,2,3得到. 谐波频率呈规律性. l 非特性谐波

15、： 由频率转换设备产生. 系统不平衡 (电压和感抗) l 3次谐波（零序谐波）： 3*(2n+1) ,n = 0,1,2 例如 3,9,15,21. 等. 主要影响零序. 增加零相电流. 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院20 三、谐波：谐波的相序（1） l 每一谐波的相序都有关于基波的联系. l 按约定基波被设定为正相序. l 所有高次谐波都有相对于基波的正、负或是零相序. 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院21 三、谐波：谐波的相序（2） RYB的相序的相序 (+ Seq.) 基次分量基次分量 R Y B 基次基次 +120o 0o -120o 二次二次 +240o

16、 0o -240o 谐波谐波 -120o 0o +120o 因而二次谐波作为负序分量运转因而二次谐波作为负序分量运转. Y R B Y R B 负序 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院22 三、谐波：谐波的相序（3） RYB的相序的相序 (+ Seq.) 基次分量基次分量 R Y B 基次基次 +120o 0o -120o 三次三次 +360o 0o -360o 谐波谐波 +0o 0o -0o 因而三次谐波作为零序分量运转因而三次谐波作为零序分量运转. Y R B R Y B 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院23 三、谐波：谐波的相序（4） 谐波次序谐波次序12345

17、6789 相序相序+-0+-0+-0 正序正序负序负序零序零序 基次基次2 2次次3 3次次 4 4次次5 5次次6 6次次 7 7次次8 8次次9 9次次 1010次次1111次次1212次次 3n+13n+1次次3n+23n+2次次3n+33n+3次次 被被3 3除余除余1 1被被3 3除余除余2 2可被可被3 3整除整除 每一谐波的相序算法及排列： 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院24 三、谐波：谐波的相序（4） 各序谐波的特性及危害： 正序正序 负序负序零序零序 趋肤效应引起过热趋肤效应引起过热趋肤效应引起过热 支持基波与基波对抗在中性点积聚 中温过热产生零线发热 相对危

18、害较少危害很多 造成中性线接地和开 路情况的原因 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院25 三、谐波：对设备的的危害 设备种类谐波影响 变压器 由于趋肤效应增加铜损；谐波高频增加铁损；降 低效率。 电动机增加铜损，铁损；脉动转矩。 电力电缆增加铜损，导致过热。 开关装置，继电保护误动或据动。 自动控制装置操作不正常。 电力电容器由于串联或并联谐振导致电容器过载。 通信设备产生严重干扰。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院26 四、电能质量的治理设备：内容及目标 l使注入公用电网的谐波电流及公共连接点的 谐波电压在国标限值以内； l提高用户用电的功率因数； l使电压波动和闪

19、变在国标限值以内； l使电压凹陷、凸起、短时中断的幅值和持续 时间在设备容许范围内。 l使用户设备在电磁兼容允许范围内安全经济 运行，把对电网的干扰限制在国标限值以内。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院27 四、电能质量的治理设备：如下设备 l 无源滤波器FC（手动/自动投切，调谐/非 调谐） l 静止型动态无功补偿装置SVC：TSC、 TSC+TCR、FC+TCR、FC+MCR。 l 静止无功发生器SVG（又称静止同步补偿 器STATCOM）。 l 有源滤波器APF 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院28 四、电能质量的治理设备：无源滤波器FC l主要器件：电容器+

20、电抗器+电阻器（可选） l投切方式：手动、自动 l功能：纯补偿（非调谐）、补偿滤波（调谐） l滤波原理：采用电力电容器串联适当比例的电抗器，形成 针对某一特定频率的低阻抗滤波回路，吸收特定频率的谐 波电流，补偿基波无功功率。 l适用场合：无功功率大、功率因数低、无功变化不频繁， 具有典型特征谐波（5，7，11，13次）的工业负荷。 l优点：结构简单，造价低廉，适合大规模应用。 l缺点：响应时间长，两次投切间隔通常要几秒放电时间，不能补偿动 态无功；补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越 小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平；只能 消除特定的几次谐波，而对某些次谐

21、波会产生放大作用；滤波要求和 无功补偿、调压要求有时难以协调；投切产生涌流及过电压会对系统 会造成冲击，补偿精度低。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院29 四、电能质量的治理设备:非调谐无源滤波器 l非调谐(Detuned)或谐波抑制滤波 器：谐振频率fR 最低主谐波频 率的90%；例如：fR =214Hz,小 于5次谐波的90% . l电抗系数 12.5% 或 14%适用于 3 次谐波 ；电抗系数 5.5% 或 7% 适用于 5、7次谐波 。 l适用于：仅考虑无功补偿，且谐 波含量小的场所。 l参数选择需要注意防止电容器谐 波过载。 接线原理图 2021年6月22日星期二中国矿

22、业大学信电学院30 四、电能质量的治理设备：调谐无源滤波器 l调谐(Tuned)或谐波吸收滤波器： 谐振频率 fR在被吸收的谐波频率 的10%的范围内；例如：fR =246Hz,吸收 5次谐波。 l要滤除 5、7、11 次谐波分别采 用 5、7、11 次滤波器。 l适用于：考虑无功补偿同时需要 进行谐波吸收的场所，一般谐波 成份固定且无功变化不大。 l优点：滤波效果好； l缺点：无功变化较大时，难以做 到补偿与谐波治理的完美结合。 5 次7 次 11 次 接线原理图 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院31 四、电能质量的治理设备：SVC-TSC l 主要器件：FC+TSC或FC+T

23、SC+TCR l TSC投切方式：晶闸管投切电容器，有晶闸管和二极管反并联及两个 晶闸管反并联两种方式。 l 冷却方式：水冷、风冷。 l 功能：投切振荡和无冲击投切，对三相不平衡负荷可以分相补偿。分 组补偿电网感性无功，吸收电网中特定频段谐波电流。 l 优点：动态跟踪无功变化，跟踪速度可达510ms，不发生过补偿、无 l 缺点：控制复杂；晶闸管的冷却系统必须带电运行，水冷运行维护成 本高，风冷效率低；自身产生的谐波不可忽视，谐波治理效果不理想； 产生电磁辐射污染。 l TSCTCR补偿器：以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院32 四、电能质量的

24、治理设备：SVC-TCR l主要器件：FC+TCR lFC+TCR投切方式：FC固定投切，可控硅调节相控电抗器 投入比例。 l冷却方式：水冷、风冷。 l功能：补偿电网感性无功，FC吸收电网中特定频段谐波电 流，部分减小无功冲击造成的电压波动与闪变。 l优点：动态跟踪无功变化，跟踪速度可达20ms，不发生过 补偿、无投切振荡和无冲击投切。 l缺点：功耗大；占地面积大；晶闸管的冷却系统必须带电 运行，水冷运行维护成本高，风冷效率低；自身产生的谐 波不可忽视，谐波引起电感、电容发热，导致绝缘老化， 电容器参数变化及损坏；谐波在TCR与FC间流动增加损耗， 降低效率；谐波引起电磁兼容问题干扰周围设备；

25、谐波 造成电磁污染、辐射环保问题。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院33 四、电能质量的治理设备： SVC-TCR 四、电能质量的治理设备： SVC-MCR n主要器件：FC+MCR nFC+MCR投切方式：FC固定投切，通过控制晶闸管的导通角 来控制流过铁芯的磁通，磁通的强弱直接决定了铁芯的饱 和程度，从而最终实现对电感值大小的控制。 n优点：MCR型可调电抗器的容量调节不需要大功率晶闸管 阀组，占地面积小，结构简单。采用磁控式，使整个SVC 系统可靠性极高，20年免维护。 n缺点：MCR本体为油浸电抗器:这样容易造成MCR的维修不 方便，并且维护成本高;MCR运行噪声大，对变

26、电站的运行 环境产生噪声污染;MCR能耗大:MCR采用饱和电抗器技术， 铁芯损耗非常大。虽然现在的MCR改良以后采用部分铁芯 饱和技术，但是其能耗依然很大。就依靠目前先进的制造 技术，MCR的能耗依然不低于2%. 四、电能质量的治理设备： SVC-MCR nMCR型动态无功补偿装置的系统组成 n基于MCR的SVC装置由MCR主体、励磁系统、控 制与监控系统等组成如下图所示： 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院36 四、电能质量的治理设备：SVG l 静止无功发生器(SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM). l 主要器件：断路器、变压器、逆变器、电容器。 l 核心器件：IGBT

27、 l 功能：维持系统电压恒定、谐波治理、抑制电压闪变。 l 优点：可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应，补偿无功功率时不需要储能元件， 补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做 到连续调节；不会引起谐振短路；可以吸纳无功；精准电压控制（该 装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压 幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波）；受电 网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频 率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 l 缺点：目前仅在大容量区域变电所使用，造价高昂。 l 适用

28、场合：适用于大容量无功补偿的枢纽变电站。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院37 四、电能质量的治理设备：APF l 主要器件：有源滤波器APF l 分类：电压型和电流型；并联型和串联型。实用的为并联电压型。 l 原理：利用PWM技术实现的电流发生器,它产生与负载无功(基波与谐 波)电流大小相等、方向相反的电流，使注入电网的无功电流为零。功 能：谐波治理无功补偿抑制电压骤降抑制闪变。 l 优点：无需大容量电容器和电 抗器，是一种动态的可控解决 方案，可自动地适应网络和负 载的变化，不存在谐振问题， 占地面积小 。 l 缺点：单机容量较小，不适合 大容量补偿，高压应用几乎没 有，系统

29、造价高。 l 适用场合：功率因数高、配电 系统复杂、谐波分量复杂的工 业负荷。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院38 四、电能质量的治理设备：APF-MARS l电能质量有源恢复系统MARS（Mains Active Restoring System）是一种高压有源滤波补偿装置。 l主要器件：断路器、变压器、MARS。 l原理：利用双桥PWM技术实现的电流发生器，具备有源滤 波器的所有优点，同时还能提供双向无功功率补偿，对系 统的高频纹波影响最小。 l功能：谐波治理无功补偿抑制电压骤降抑制闪变。 l适用场合：功率因数高、配电系统复杂、谐波分量复杂、 补偿容量大的中高压工业负荷。 l特点：主动动态输出各次谐波电流和无功电流，补偿范围 广，补偿精度高；是一种动态的可控解决方案，可自动地 适应网络和负载的变化，不存在系统谐振危险；采用双桥 PWM技术，对系统的高频纹波影响小；响应速度快达2ms; 单机容量大，技术成熟，适合大容量高压补偿。 2021年6月22日星期二中国矿业大学信电学院39 四、电能质量的治理设备： APF-MARS（续） MARS特性： l高动态：电流测量周期20s ，意味着可以足够地补偿各次谐波。 l直接谐波控制：可以自由地选择谐波次数并对它们直接补偿， 这一方法可以以