电力系统谐波与无功补偿-4

1、 电力系统谐波与无功补偿电力系统谐波与无功补偿教研室：电机与电力电子教研室：电机与电力电子教教 师：李亚斌师：李亚斌电电 话：话：1358222815613582228156课件4无功补偿电容器和LC滤波器4.1 无功补偿电容器14.2 LC滤波器4.1无功补偿电容器p 控制无功功率的方法：1）同步发电机调节发电机励磁（过励），电厂；2）同步电动机调节电动机励磁，大用户； 正常励磁：功率因数为1,阻性。 欠励：电动机功率因数滞后,感性。 过励：功率因数超前,容性3）同步调相机，不带负载空载运行的同步电动机，枢纽变电所； 欠励：相当于电感。 过励：相当于电容 一般都工作在过励状态，为电网提供感性

2、无功。24.1无功补偿电容器p 控制无功功率的方法：4）并联电容器：装于变电所或负载处（就地补偿）；5）静止无功补偿装置：具有动态调节能力，性能好。 大用户，枢纽变电站2 并联电容器简单经济、方便灵活，应用广泛。4.1无功补偿电容器4.1.1 并联电容器补偿无功功率的原理：222cosLLRRXXLCRLIII投入电容器后4.1无功补偿电容器4.1.1 并联电容器补偿 无功功率的原理：2欠补偿：功率因数滞后完全补偿：功率因数为1过补偿：功率因数超前过补偿会使节点电压升高，进而增大电容器本身损耗，不希望出现！4.1无功补偿电容器4.1.2 并联电容器补偿无功功率的方式：2集中补偿：装于企业或总降

3、压变电所（610kV），用来提高整个变电所的功率因数，减小高压线路的损耗。分组补偿：装在功率因数较低的终端变电所内，补偿范围较小，也叫分散补偿。就地补偿：将电容器直接装在需要补偿的感性无功设备附近，也称单独补偿。 统筹考虑，合理布局，取得好的经济效益。4.1无功补偿电容器4.1.3 并联电容器补偿容量的计算：21212(tantan)CavCCavCCQQQPorQP qavCP12Cq最大用功计算负荷（kW）月平均负载率（0.70.8）补偿前的功率因数角补偿后的功率因数角电容器补偿率补偿率kVar/kW4.1无功补偿电容器4.1.3 并联电容器补偿容量的计算：23323/33103101 /

4、10VIAFCCCUQUIUCC UUC线 电 压 （）电 容 器 的 线 电 流 （）每 相 电 容 器 的 电 容 量 （）p 星型连接4.1无功补偿电容器4.1.3 并联电容器补偿容量的计算：2332333103101 /310VIAFCCCUQU IUCC UUC线 电 压 （）电 容 器 的 线 电 流 （）每 相 电 容 器 的 电 容 量 （）p 角型连接一般电力补偿电容器都采用三角型连接4.1无功补偿电容器4.1.4 并联电容器的放电回路和自动投切2p 放电回路 电容器断开后，为保证检修人员的安全，电容器需尽快放电，要求在30s之内，电容器端电压降到65V以下，因此需装设放电电

5、阻（也可用电压互感器线圈放电）。p 自动投切 电容器一般分为几组，根据运行情况自动投切。1）按母线电压高低；2）按无功功率的方向；3）按功率因数的大小；4）按负载电流的大小；5）按昼夜时间划分。4.1无功补偿电容器4.1.5 并联电容器和谐波的相互影响2p 直接影响 谐波电流使电容器有效值增大、发热，影响寿命。 谐波电压使电压峰值增大、谐波电流增大，还可造成电容器内部局部击穿。电容器的补偿容量和电压的平方成正比。p 谐波放大 电容器和网络或负载的电感谐振，将谐波电流放大，不仅威胁自身，而且严重威胁电网的正常运行。4.1无功补偿电容器4.1.5 并联电容器和谐波的相互影响2容抗和感抗相等时，将发

6、生并联谐振。p 谐波放大 并联电容器后的谐波等效电路和等效阻抗。snZ ()cnsnsnsncnjXZRj XX4.1无功补偿电容器4.1.5 并联电容器和谐波的相互影响snI()cnnsnsncnjXIRj XXcnI()snsnnsnsncnRjXIRj XX谐波电流源的电流大小和外阻抗无关当发生并联谐振时，谐振电流将会很大！谐振频率次数为：/csnXXsXcX基波感抗、容抗4.1无功补偿电容器4.1.5 并联电容器和谐波的相互影响系统中谐波电流源的电流大小和外阻抗无关电容器串联电感：减小电流冲击；使谐振点偏离（变低）4.2 LC滤波器4.2 LC滤波器系统抑制谐波的方法：1）补偿：无源L

7、C滤波器和有源滤波器APF；2）改造谐波源：增加整流相数；高功率因数整流器。4.2.1 LC滤波器的结构和基本原理 滤波电容、电抗器和电阻的适当组合。 与谐波源并联，除滤波外还兼顾无功功率的补偿。 分为：单调谐、高通、双调谐等几种。1）单调谐滤波器Rfn远小于系统的阻抗Zs，谐波电流绝大部分流入滤波器。fn1Z()fnssRj nLnCfnZ1n=fnsRLC4.2 LC滤波器s：基波角频率2）高通滤波器在高频段（很宽的频段范围内）呈现低阻抗特性。1n111Z()ssjnCRjnL4.2 LC滤波器3）双调谐滤波器投资较小，但结构复杂，调谐困难，应用很少。4.2 LC滤波器p 滤波器性能指标

8、各次谐波电压含有率； 电压总畸变率； 注入电网的各次谐波电流值； 经济指标（投资、运行费用等）4.2.2 LC滤波器的设计p 注意事项 L、C参数偏差、频率变化引起失谐； 防止滤波器和电网阻抗发生并联谐振。4.2 LC滤波器p 滤波装置的确定 初次设计； 计算滤波器之间的相互影响； 考虑并联电容器（补偿无功）的影响，进一步修正滤波器的参数。p 滤波装置的构成 根据实测的谐波数据、电网阻抗特性一对一设计； 一般单调谐滤除5、7、11次等特征谐波，高通滤波器滤除13次以上的（截至频率设计在12次）； 非特征次谐波按实际情况选择设计； 按滤波要求设计滤波器，无功容量不够再加装并联电容器。4.2 LC

9、滤波器p 考虑单调谐滤波器的失谐4.2.3 LC单调谐滤波器的设计00fn022fn1X=XQ =1=(+)21ZX(2)|Z|14rrfnnfnLCRfLCfLCjQRQ谐振时的感抗和容抗滤波器Q值（锐度）定义失谐偏差滤波器失谐阻抗失谐阻抗谐波电流谐波电压4.2 LC滤波器4.2.3 LC单调谐滤波器的设计 滤波器通频带 PB：在最大等效频率偏差m范围内，Zfn的最大值与最小值之比为1.414.所对应的频率范围。nPBQ滤波器的Q值越高，其通频带越窄，对频率的偏差越敏感。4.2 LC滤波器则4.2.3 LC单调谐滤波器的设计p 最佳Q值的确定moptmcos+1Q=30 602 sin滤波器

10、的损耗和通频带PB、Q值关系密切，提高Q值（电阻小）将使损耗减小，但Q值太大，通频带又太窄，滤波器对参数偏差敏感，一般m系统的特征阻抗角，一般为800 850左右4.2 LC滤波器4.2.4 LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法p 最小滤波电容安装容量1ssnLnC滤波器的电容安装容量越小，则滤波器的投资越小。2111211sssUnICUnLC 滤波器除流过谐波电流In外，在基波电压U1的作用下还会流过基波电流I1：4.2 LC滤波器 调谐在n次谐振频率的单调谐滤波器有如下关系：4.2.4 LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法22112222111 112211111(1)nnnssss

11、SQQIICnCn UnQU ICUnCQ n利用上2式化简得：4.2 LC滤波器滤波器的安装容量Sn应为基波无功容量Q1和谐波无功容量Qn的和。2221112()(1)nnU InSQQnn取基准容量：1BnSU I标幺值：21211*(*)(1)*nnSQnnQ4.2.4 LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法1*1/,*nQnS得出最下电容量：4.2 LC滤波器当 为最小，且2min2221minmin122*(1)(1)nsnSn nnQCUnp 以此电容为n次滤波器的选取电容基准，进而求取电感和电阻值。2min21(1)nsInCUnn4.2.4 LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方

12、法 电感值为：4.2 LC滤波器p 外加电阻值为计算值 减去 电感绕组的自身电阻。22min1sLnC 电阻值为：soptnLRQ4.2.5 高通滤波器的设计方法 当频率很高时，ZnR，实际上当频率高于一定频率后，滤波器在很宽的频率范围内都具有：4.2 LC滤波器012fRC 截止频率：|nZR实现了高通滤波。 Q值：0.7 1.4nRQLQp 和单调谐滤波器和单调谐滤波器Q Q值定义不同！值定义不同！4.2.6 综合频率特性分析及滤波器的最后确定 初步设计完后，必须通过系统谐波电压源和谐波电流源的校验。4.2 LC滤波器4.2.6 综合频率特性分析及滤波器的最后确定 谐波电流源单独作用，电压

13、源等效为短路。4.2 LC滤波器*nnZIIZsZ 根据各次谐波电流的大小和此时除电网阻抗Zs外总的并联等效阻抗Z，求注入电网的各次谐波电流值：4.2.6 综合频率特性分析及滤波器的最后确定 谐波电流源单独作用，电压源等效为短路。4.2 LC滤波器*nnUZ I 根据各次谐波电流的大小和此时总的等效阻抗，求得各次的谐波电压：4.2.6 综合频率特性分析及滤波器的最后确定 谐波电压源单独作用，电流源等效为开路。4.2 LC滤波器*nnsZUUZZ 根据各次谐波电压的大小和此时总的等效阻抗，求得各次的谐波电压在母线上的分压值：4.2.6 综合频率特性分析及滤波器的最后确定 求出总的电压畸变和流入电

14、网的谐波电流和规定值比较，看是否符合要求，不符合要继续修改：调整谐振点或各次滤波器的Q值。一般经过3次修改可满足要求。4.2 LC滤波器4.3 LC滤波器仿真1）电网电压10.5kv，电源内阻抗R0.8欧，L16毫亨。2）线路阻抗R/L，R12欧，L20毫亨。3）变压器：S1000KVA，10/0.4KV，1次角接，二次星接，4）整流器采用三相全控晶闸管整流桥，直流电感50毫亨，负载电阻1欧。5）整流器触发角为60度6）无源滤波器设计为5次、7次、11次（Q选择为60），二阶高通滤波器（Q选为1）。7）要求功率因数大于0.85。简单例子4.3 LC滤波器仿真4.3 LC滤波器仿真High-passdamped filterTuned filtersCapacitor bancs3C2B1AABCABCQ=20ABCABCCABCABCABCABC7thQ=50ABCABC5thQ=50 ABCABC11thQ=504.3 LC滤波器仿真0200400600800100000.20.40.60.81ImpedanceImpedance (ohms)Frequency (