无功补偿培训

1、刘成军2014年5月个人简介 刘成军 男 国家注册电气工程师（供配电） 国家一级注册建造师（机电） 安徽大学工学学士（电气工程及其自动化） 合肥工业大学工程硕士（柔性交流输电系统） 近十年来一直致力于电能质量领域，圆满完成数百个高、低压动态无功补偿、谐波治理等电能质量项目。 有功功率：有功功率：直流电路中，从电源输送到电器（负载）的电功率，是电压与电流的乘积，也就是电器实际所吸收的功率。在交流电路中，由于有电阻和电抗（感抗和容抗）的同时存在，所以电源输送到电器的电功率并不完全做功。因为其中有一部分电功率（电感和电容所储的电能）仍能回输到电源，因此，实际为电器所吸收的电功率叫有功功率。用字母 P

2、 表示。国际单位瓦，用字母 W 表示。通常有功功率的单位用千瓦，用字母KW。无功功率：无功功率：电感和电容所储的电能仍能回输到电源，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。用字母 Q 表示，国际单位乏，用字母 var 表示。通常无功功率的单位用千乏，用字母 Kvar 表示。功率和功率因数感性无功功率：感性无功功率：接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。例如：通过磁场，变压器才能改变电压并将能量送出去，电 动机才能转动并带动机械负荷。磁 场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收和释放的功率相等，这种功率叫感性

3、无功功率。容性无功功率：容性无功功率：电容器在交流电网中接通后，在一个周期内，上半周期的充电功率与下半周期的放电功率相等，不消耗能量，电容器的这种充放电功率叫容性无功功率。视在功率视在功率：电容器在交流电网中接通后，在一个周期内，上半周期的充电功率与下半周期的放电功率相等，不消耗能量，电容器的这种充放电功率叫容性无功功率。功率因数：功率因数：有功功率与视在功率的比值。用 cos表示，它是没有单位的。cos=P/S功率因数：反映有功功率出力在设备容量中所占的比重。222PQScosSP sinSQ 节电：节电：P Scos 1Q 0或功率三角形0 . 1cos0SPQ自然功率因数 负荷自然功率因

4、数负荷自然功率因数：无功补偿前负荷的功率因数cos =P/S负荷空载255075满载配电变压器0.15以下0.670.730.750.76感应电动机0.2以下0.5-0.550.7-0.750.8-0.850.85-0.9典型负荷功率因数表典型负荷功率因数表：电焊设备0.35-0.60锻压设备0.55-0.65工业电热0.5-0.85金属加工0.55-0.65铸钢铸铁(中频炉)0.88-0.97家用电器照明电器0.5-0.80.3-0.7提升、皮带0.5-0.75水泵风机0.70-0.80冷轧设备0.3-0.7标准功率因数规定用户标准功率因数规定用户标准功率因数 用户在当地供电局规定的电网高峰

5、负荷时的功率因数，应达到下列规定： 高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功率因数为0.90及以上，其他100kVA(kW)及以上电力用户和大、中型电力排灌站功率因数为0.85及以上，农业用电功率因数为0.80及以上。凡功率凡功率因数未达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电或加收力率调整费。因数未达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电或加收力率调整费。 ( (能源电能源电198819881818号号 ，电力系统电压和无功电力管理条例，电力系统电压和无功电力管理条例) ) 无功补偿原理功率平衡：功率平衡：系统系统P+jQ负载负载-jQC无功补偿原理图无功补偿原理图PL+jQ

6、L0.1cos0:)(cos)(1 - - - - - - - -QPPQQPQtgQQQPPQQjPjQjQPjQPLCLCLLCLLCLL时时当当cos 功率因数低的不良影响1、降低发电机的输出功率，当发电机需提高功率无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低。 2、降低了变电、输电设施的供电能力。3、使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率值一平方成反比），如电机、变压器、电力电缆等。4、功率因数愈低线路的电压降愈大，使得用电设备的运行条件恶化。无功补偿经济效益分析 功率因数考核和电费调整功率因数考核和电费调整 为调动用户改善电压，管好无功设备的积极性，凡受电容量在100

7、kVA(kW)及以上的用户均应按国家批准的功率因数调整电费办法的有关规定，实行功率因数考核和电费调整。 用户总电费的计算用户总电费的计算 总电费（高峰电度电费平段电度电费低谷电度电费基本电费）（功率因数奖惩率）城市建设附加费 （关于实行峰谷电价的通知，粤价（关于实行峰谷电价的通知，粤价200320031919号）号） 功率因数调整电费办法功率因数调整电费办法力率电费力率电费：是指电力用户无功消耗量过大，造成功率因数低于国家标准，从而按电费额的百分比追收的电费。 根据计算的功率因数，高于或低于规定标准时，在按照规定的电价计算出其当月电费后，再按照“功率因数调整表”（表一、二、三）所规定的百分数增

8、减电费，如用户的功率因数在“功率因数调整电费表”所列两数之间，则以四舍五入计算。 表一：表一： 以以0.900.90为标准值的功率因数调整电费表为标准值的功率因数调整电费表减收电费减收电费实际功率因数0.900.910.920.930.940.95-1.00月电费减少%0.00.150.300.450.600.75增收电费增收电费实际功率因数0.890.880.870.860.850.840.830.820.810.800.790.780.77月电费增加%0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5增收电费增收电费实际功率因数0.760.750.740.730

9、.720.710.700.690.680.670.660.65功率因素自0.64及以下,每降低0.01月电费增加%7.07.58.08.59.09.510.011.012.013.014.015.0电费增加2%表二： 以以0.850.85为标准值的功率因素调整电费表为标准值的功率因素调整电费表减收电减收电费费实际功率因数0.850.860.870.880.890.900.910.920.930.94-1.00月电费减少%0.00.10.20.30.40.50.650.80.951.10增收电增收电费费实际功率因数0.840.830.820.810.800.790.780.770.760.750

10、.740.730.72月电费增加%0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5增收电增收电费费实际功率因数0.710.700.690.680.670.660.650.640.630.620.610.60功率因素自0.59及以下,每降低0.01月电费增加%7.07.58.08.59.09.510.011.012.013.014.015.0电费增加2%表三：以以0.800.80为标准值的功率调整电费表为标准值的功率调整电费表减收电费减收电费实际功率因数0.800.810.820.830.840.850.860.870.880.890.900.910.92-1.00

11、月电费减少%0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.51.30增收电费增收电费实际功率因数0.790.780.770.760.750.740.730.720.710.700.690.680.67月电费增加%0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5增收电费增收电费实际功率因数0.660.650.640.630.620.610.600.590.580.570.560.55功率因素自0.54及以下,每降低0.01月电费增加%7.07.58.08.59.010.010.011.012.013.014.015.0电费增加2%无功补偿装置

12、 无功补偿装置发展历史 无功补偿装置的应用范围 无功补偿装置 补偿容量的确定无功补偿装置发展历史同步调相机 机械开关投切式电容器（MSC） 静止式动态无功补偿装置（SVC） 无功发生器（SVG） 超导磁储能系统（SMES） 同步调相机 由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数（见功率因数的提高，因此在过去的生产实际中，除选用一部分同步电动机外，还在电网的受电端装设一些同步调相机，用于改善电网的功率因数。 这种运行于电动机状态，不带机械负载也不带原动机，只向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机。又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。

13、 机械开关式投切电容器组（MSC)使用机械开关（接触器、断路器）为投切元件，将电力电容器安装在高低压母线上，实现无功补偿目的的装置。MSC型低压无功补偿装置MSC型高压无功补偿装置 静止式无功补偿装置（SVC)静止无功补偿器是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。这类装置的典型代表有：（1）电容器调节方法：晶闸管投切电容器（TSC）。（2）电抗器调节

14、方法：可控饱和电抗器型（MCR) ; 相控电抗器型（TCR）。 晶闸管投切电容器（TSC型SVC)磁控电抗器（MCR型SVC)相控电抗器（TCR型SVC) 静止无功发生器 SVG并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无级补偿。 SVG的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 超导磁储能系统（S

15、MES) SMES是利用超导磁装置将电磁能直接储存起来，在需要时再将电磁能返回给电网或负载的装置。 SMES在美国、日本已经有成功应用的实例，我国还在研究、开发的过程中。华中科技大学超导电力研究中心自1999年以来对超导磁储能系统展开了研究，并于2005年成功研制35kJ高温超导磁储能系统，现已通过了动模试验，下一步拟接入电力系统试运行。在高温超导磁体、电流引线、直接冷却等关键技术上有较好的基础，可联合进行装置的技术开发、系统应用研究等。 各种无功设备各自特点如下： 1）同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术； 2）开关投切固定电容：慢响应补偿方式，连续可控能力差； 3）

16、静止无功补偿器（SVC）：目前相对先进实用技术，在输配电电力系统中得到了广泛应用； 4）静止无功发生器SVG（STATCOM）：目前虽然有技术上局限性，属少数示范工程阶段，但SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，现代无功功率补偿装置的发展方向。 无功补偿装置应用范围该装置广泛应用于电力、钢铁、煤矿、铁道、石油、机械、冶炼、化工、造船、港口、轻工、建材、矿山等高低压供配电系统中，要求无功补偿的场合。根据现场负荷工作周期的快慢选择常规或动态无功补偿方式。煤炭行业负荷特点：煤炭行业负荷特点：矿井提升机属于动态负荷，

17、 从提升机启动、稳定到制动一个 工作周期一般在几分钟之内，而 且在这一过程中无功变化大，功 率因数在提升阶段最低（达到0.2 左右），制动阶段则较高。提升 机启动频繁，一般箕斗从井下提 升到井上需要23分钟时间，其中加速时间约为1012秒。大功率提升机普遍采用晶闸管供电的直流系统或交-交变频调速系统。对电网的供电质量要求较高，在供电突然中断时，容易产生危险事故，设备损坏，生产中断，造成企业重大损失。因此，煤矿企业负荷属于重要负荷，必须保证供电的可靠性。港口负荷特点港口负荷特点码头主要负荷是卸船机、斗轮机、装船机、皮带机等设备，这些设备在生产过程中频繁起动，具有很大的波动性。特别是在吊装货物的过

18、程中，无功波动更加明显，影响电压稳定。造船、汽车行业负荷特点造船、汽车行业负荷特点造船、汽车的焊装车间负荷以点焊机作为单相非线性负荷，具有短时工作制（1秒以内）、频繁工作、冲击电流大等特点，给系统带来一系列不良影响，主要有：1）导致电网三相电流严重不平衡，变压器发热严重；2）无功消耗大，功率因数偏低。如采用常规的接触器投切电容方式，反应速度慢，很难补偿到位，经常出现过补偿或负补偿，极易造成系统故障导致故障跳闸；3）产生高次谐波，电压畸变严重；4)存在严重电压闪变，系统电压不稳，造成焊接质量不稳定。钢铁行业可逆式冷轧钢板轧机负荷特点钢铁行业可逆式冷轧钢板轧机负荷特点轧钢机生产线的电气传动采用晶闸

19、管可控整流，带动轧钢直流电动机。 是一种非线性负荷。主要特点： 1）5、7、11、13次等高效次谐波含量大； 2) 主轧与卷取机功率因数低； 3) 负荷波动大；钢铁行业电弧炉负荷特点钢铁行业电弧炉负荷特点 电弧炉是利用3根碳棒电极和炉料、铁渣之间的三相大电流产生的热量来融化炉料，熔化时，由于反复不规则地将电极开路和短路，引起电弧长度的变化，导致燃弧点的移动，继而导致电弧不稳定，其快速变动又导致周期闪变、谐波和负载不平衡等问题出现。电弧炉系统谐波风电 风电并网的无功补偿问题风电并网的无功补偿问题 感应式发电机无功消耗高感应式发电机无功消耗高 风机出力波动大引起电压波动风机出力波动大引起电压波动

20、电压调节能力弱，不能在规定的范围内调节电压调节能力弱，不能在规定的范围内调节 电网扰动造成的电压变化可能造成风机解列电网扰动造成的电压变化可能造成风机解列 风力发电的有效利用率低，需要电网增加备用容风力发电的有效利用率低，需要电网增加备用容量量 可调度性差可调度性差风电系统无功补偿无功补偿装置装置系统图装置系统图GXNKMTAFVCLFDQSMSC型无功补偿装置型无功补偿装置装置主要元器件装置主要元器件避雷器（避雷器（FV)隔离开关隔离开关(QS)接触器（接触器（KM）断路器（断路器（QF）电流互感器（电流互感器（TA）放电线圈（放电线圈（FD） 电容器（电容器（C C）电抗器（电抗器（L）M

21、CRMSCMCR型型SVC+MSC MCRMCR工作原理工作原理 MCR型电抗器是通过直流偏磁改变铁心电抗器铁心的磁导率来实现电感可调的，其技术突破的关键是直流偏磁只使铁心的局部小区域饱和而不是整个铁心饱和，饱和的小截面铁心就相当于固定电感电抗器的气隙，饱和度改变等效气隙的宽度相应改变，从而实现电感可调。铁芯局部饱和铁芯局部饱和 MCRMCR外形图外形图TCR型SVC的工作原理 FC+TCR型动补装置的补偿原理见图2-1所示。图中为电容器功率，为负载感性无功功率，为补偿器所提供的感性无功功率。 TCR感性无功功率对负载的感性无功功率和电容器组的容性无功功率起平衡作用，以使系统电压及功率因数保持

22、为恒定值。静止无功发生器（SVG） 静止无功发生器（SVG）是基于大功率逆变器的动态无功补偿装置，它以大功率三相电压型逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。SVG用于输电网，可提高电力系统稳定性、增加系统阻尼、抑制系统振荡，从而大幅度提高电压传输能力。随着我国跨区电网建设的迅速发展，电力系统的无功及动态电压稳定问题日益凸显，装设高压大容量SVG是有效手段。SVG用于配电网，可针对波动负载进行快速有效的动态无功补偿，对电压波动与闪变、负

23、荷不平衡、功率因数及谐波进行补偿，在有效改善电能质量同时，可取得明显的节能降耗效 SVG原理SVG系统图 SVG的应用 SVGSVG在变电站中的应用。在变电站中的应用。一般变电站都已安装有并联一般变电站都已安装有并联电容器装置，但随着用户负荷的波动，变电站电容器就得电容器装置，但随着用户负荷的波动，变电站电容器就得频繁投切，而电容器的投切过程最容易产生操作过电压频繁投切，而电容器的投切过程最容易产生操作过电压（大的储能元件的投切都容易产生操作过电压），这对电（大的储能元件的投切都容易产生操作过电压），这对电容器的安全和寿命以及系统内其他设备的安全运行都造成容器的安全和寿命以及系统内其他设备的安

24、全运行都造成了极大的隐患。负荷停机而用户电容器不停就会造成无功了极大的隐患。负荷停机而用户电容器不停就会造成无功倒送。还有些用户为提高末端电压多投电容器也造成无功倒送。还有些用户为提高末端电压多投电容器也造成无功倒送，使得变电站无法达到电压及功率因数同时达标。安倒送，使得变电站无法达到电压及功率因数同时达标。安装一套装一套SVG,SVG, 为节省投资一般安装一半容量的为节省投资一般安装一半容量的SVGSVG和一半容和一半容量的量的SVGSVG，能实时动态调节系统无功稳定系统电压和无功，能实时动态调节系统无功稳定系统电压和无功平衡。平衡。SVGSVG在电气化铁路中的应用。在电气化铁路中的应用。电

25、铁负荷是典型的极端波动负荷，机车电铁负荷是典型的极端波动负荷，机车通过时有负荷，机车过去后没有负荷。这种情况下只安装电容器是不通过时有负荷，机车过去后没有负荷。这种情况下只安装电容器是不能解决问题的，机车来时无功平衡了，机车通过后如电容器不切除又能解决问题的，机车来时无功平衡了，机车通过后如电容器不切除又过补了，而使电容器频繁投切又不利于电容器及系统的安全运行。这过补了，而使电容器频繁投切又不利于电容器及系统的安全运行。这时可安装一套时可安装一套SVGSVG装置，可以动态调节系统所缺无功。安装在装置，可以动态调节系统所缺无功。安装在27.5kV27.5kV侧时，可平衡无功；安装在侧时，可平衡无

26、功；安装在110kV110kV侧时，除可平衡无功外，还可利用侧时，除可平衡无功外，还可利用斯坦梅兹理论平衡三相的负荷斯坦梅兹理论平衡三相的负荷 。SVGSVG在提升机负荷中的应用。在提升机负荷中的应用。提升机负荷主要有矿井提升机、码头装提升机负荷主要有矿井提升机、码头装卸提升机。提升机负荷也是一种波动很大的负荷，上提时消耗无功，卸提升机。提升机负荷也是一种波动很大的负荷，上提时消耗无功，下放时对发电型提升机还发出无功，这种场合用电容器自动投切同样下放时对发电型提升机还发出无功，这种场合用电容器自动投切同样是不可取的方案。此时可按最大可能倒送到电网的无功来设置一套是不可取的方案。此时可按最大可能

27、倒送到电网的无功来设置一套SVGSVG装置，通过装置，通过SVGSVG自补偿及动吸收倒送的无功。自补偿及动吸收倒送的无功。 SVGSVG在轧机负荷中的应用。在轧机负荷中的应用。钢厂以及有色金属的轧制也是一个间歇性钢厂以及有色金属的轧制也是一个间歇性的负荷，工件咬合时产生一个冲击无功，轧制过程有一个平稳的负荷，的负荷，工件咬合时产生一个冲击无功，轧制过程有一个平稳的负荷，工件过后负荷降为零，这种负荷变动比较快，可以按照最大冲击无功工件过后负荷降为零，这种负荷变动比较快，可以按照最大冲击无功负荷设计电容补偿量，冲击负荷至平均负荷的差值取负荷设计电容补偿量，冲击负荷至平均负荷的差值取SVGSVG的容

28、量。的容量。 补偿容量的确定需要现场提供的资料系统电压主变容量现场是否已有电容器，电容器安装容量负载情况：负载类型（负载变化快慢）、有功功率（P）没有补偿情况下自然功率因数（coscos ） 客户想要达到的目标功率因数（cos cos ） 装置使用环境12补偿容量计算公式Q-需要补偿的容量P负载计算有功功率cos -补偿前功率因数cos -补偿后功率因数? )1-2cos1-1-1cos1(22PQ 12可以降低线损。 我们知道有功功率损耗的计算公式为: P=3I2R10-3(kW) 而3I2=(P2+Q2)/U2=S2/U2=P2/U2SCOS2F 因此，P=(P2R/U2COS2F)10-3(kW) 式中：P有功功率，kW； U额定电压，千伏； R线路总电阻，W。 由上述公式可知，有功功率损耗与功率因数的平方成反比，当功率因数COSF提高以后，线路中功率损耗大大下降。 提高负荷的功率因数与线损降低率关系可以用下列简单关系式表示： P%=1-(COS2F1/COS2F2