动态无功补偿装置技术培训2010年-08-18

无功功率补偿谐波治理动态无功补偿概述动态滤波无功补偿概述背景知识第一页，共43页。无功补偿的概念与作用国家相关政策无功功率补偿第二页，共43页。无功补偿的概念与作用有功功率、无功功率与功率因数自然功率因数与标准功率因数功率因数低的不良影响无功补偿原理无功补偿的意义和作用第三页，共43页。有功功率、无功功率与功率因数电源升压变压器降压变压器输电线电力用户MPL+jQLPG+jQG∆P+j∆Q交流发电机输出的功率(视在功率-容量)(kVA)有功功率(kW):用于做功和发热损耗的那部分电能。例如：转换成机械能、热能、光能等；方向：电源至负载。一个周期的平均功率大于零。无功功率(kVar):用于电路内电场与磁场交换的那部分电能。方向：上半周期从电源至负载，下半周期从负载至电源。一个周期的平均功率等于零。电能形成（电源）电能转换（负载）第四页，共43页。功率因数：有功功率出力在设备容量中所占的比重。节电：PScos1.0Q0或功率三角形SPQ第五页，共43页。自然功率因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25％50％75％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：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第六页，共43页。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。第七页，共43页。无功补偿原理功率平衡：系统P+jQ负载-jQC无功补偿原理图PL+jQL0.1cos0{:)(cos)(1====-==-+=-+=+-QPPQQPQtgQQQPPQQjPjQjQPjQPLCLCLLCLLCLL时当cos=第八页，共43页。无功补偿的意义和作用意义：

就近提供负载所需的无功功率，避免负载与电源进行无功功率交换。作用：减少由于无功功率在电路内往返传输过程中引起的电能损失；减少由于无功功率在电路内往返传输过程中引起的电压损失；增加设备输电能力；提高系统的稳定性。 第九页，共43页。国家相关政策节电措施

各级电压的电力网和电力用户都要提高自然功率因数，并按无功分层分区和就地平衡以及便于调整电压的原则，安装无功补偿设备和必要的调压装置。

电能质量与节电监察

各级电力部门要对所管辖电网(包括输配电线路、变电站和用户)的电压质量和无功电力、功率因数和补偿设备的运行进行监察、考核。各电力用户都要向当地供电部门按期报送电压质量和无功补偿设备的安装容量和投入情况，以及无功电力和功率因数等有关资料。电网和用户都要提高调压装置和无功补偿设备的运行水平。

第十页，共43页。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［1988］18号

，电力系统电压和无功电力管理条例)

第十一页，共43页。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100kVA(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

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）×（１±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〔2003〕19号）第十二页，共43页。谐波治理谐波概述谐波的危害谐波治理的意义第十三页，共43页。谐波概述 1、谐波定义

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。第十四页，共43页。2、谐波源

向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、中频炉、感应炉、荧光灯等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。

第十五页，共43页。谐波的危害电流和电压波形畸变；电压波动及闪变加剧；功率因数降低；供、配、用电设备发热严重，电网供电能力（容量）下降，用电设备的利用率降低；线路和变压器损耗增加并加速老化；电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作，继电器误动作；传统的无功功率补偿装置损坏（电容器损坏）加剧，运行费用增加；

第十六页，共43页。谐波治理的意义 对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，谐波治理具有十分重大的意义。

第十七页，共43页。动态无功补偿及动态滤波补偿概述动态功率补偿：投切开关采用大功率电力电子开关器件和微处理器控制技术快速满足电网的无功需求，维持高瞬时功率因数值。动态无功补偿响应时间迅速可达20mS。动态滤波无功补偿：在滤除谐波与补偿无功功率能同时满足电网要求。第十八页，共43页。RTSC动态无功补偿装置主要器件第十九页，共43页。塑壳断路器：动态投切开关：采用先进的大功率晶闸管电流零过度投切技术，在10ms内完成投切，实现零电流投入零电流切除，确保无涌流，无冲击；同时配置智能型微机数字驱动、保护模块。滤波电容器：中外合资佛山市顺德润华电力电容器有限公司该公司所生产滤波电容器，可以长期承受的谐波电流为基波电流的2倍。电容量制造精度小于1%，以保证滤波器有较低的谐振阻抗。电容器为防爆滤波电容器。滤波电抗器：采用铁芯闭合磁路结构，具有防止电磁场辐射的屏蔽磁路，不产生射频干扰影响其它控制设备，电感量制造精度小于1%。动态滤波无功补偿控制器电容器保护单元第二十页，共43页。RTSC动态无功补偿装置技术参数1.额定工作电压：AC0.4kV～1kV电压畸变率： 满足GB/T14549－93《公用电网谐波》标准规定的要求。3.功率因数：COSφ≥0.904.工作电压、电流：装置允许在1.1倍的额定电压或1.3倍的额定电流下长期工作。5.动态响应时间：<20ms。补偿总容量：根据客户实际需求7.主接线方式：三相(角形接法)或星形接线

。8.保护功能：装置设计有相应的保护及信号设施。主要有：短路保护；过流保护；过压保护；失压保护；单台电容器还有单台熔断器保护。第二十一页，共43页。RTSC动态滤波补偿装置特点1、动态投切开关 通过控制晶闸管实现各次滤波器组无触点自动投切，采用先进的晶闸管柔性投切技术（FACTF）和特殊工艺设计的滤波器，避免了传统接触器投切及晶闸管过零投切时产生的涌流、暂态冲击，无需放电即可再投。延长了动态补偿系统的使用寿命。2、谐波滤除兼无功补偿 不仅可以自动跟踪系统无功负荷变化，进行快速无功补偿，还可以滤除电力系统中的谐波电流，保证用户功率因数在规定的范围内。并且由于电容器与电抗器串联。3、响应迅速 滤波器组由控制器控制投切，提高了滤波器组的快速响应能力，可根据配电系统的负荷情况动态频繁的投切。动态响应时间不超过20ms。第二十二页，共43页。4、控制、装置功能先进 功能强大、易于调试的液晶显示控制器，可实时显示系统电压、功率因数、投入系统滤波器的组数、系统电流等数据。可对功率因数、过压值、失压值、过流值、谐波畸变率值、投切延时等参数进行编程。有过压、过流、欠流等报警功能。5、合理的滤波补偿设计方案 根据客户系统专门设计，滤波效果明显，补偿后功率因数满足要求。装置所采用的晶闸管投切电力滤波器这一新技术的应用，为配电系统提供了一种动态补偿提高功率因数、滤除谐波及稳定电压改善电能质量，降损节能的新手段。第二十三页，共43页。第二十四页，共43页。RTSC动态滤波补偿装置优点1、准确的测量及完善的设计

设计滤波器的首要条件是谐波测量的准确性，有了准确的测量加上完善的设计才能得到良好的滤波效果。我公司采用的A级精度的电能质量测试仪保证了测量的准确性，采用的高端设计和仿真软件有效的保证了设计的完善性和可靠性。2、可靠的晶闸管触发

我公司研制开发的晶闸管触发控制电路，采用晶闸管柔性投切技术（FACTF）。这种技术可有效的解决采用传统晶闸管电压过零投切技术时产生的过电压、过电流、暂态冲击等问题。充分解决了晶闸管触发可靠性低、波形畸变、晶闸管损坏的问题。3、完善的保护

可以实现长期免维护。保护功能包括滤波器组过电流保护、晶闸管过热保护、过压保护、欠电压保护。运行可靠性高。4、精确迅速的控制 动态功率补偿装置的控制器的控制模块是以数字信号处理器DSP和高精度采样电路为基础，在每一个电网周期对所有数据进行分析。先进的控制方法，在5~20ms内计算出所需要无功补偿的技术，在谐波严重的情况下能进行理想的动态补偿。第二十五页，共43页。装置适用范围

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、矿山等低压380v、660v、1000V供配电系统中，要求动态无功补偿且需要抑制或治理谐波的场合，尤其适用于轧机、电焊机、起重机、电梯、行车等有谐波，无功负荷较大且波动频繁的场合。

第二十六页，共43页。各种负荷特点1、煤炭行业负荷特点

矿井提升机属于动态负荷，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2～3分钟时间，其中加速时间约为10～12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。第二十七页，共43页。2、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程中，无功波动更加明显，影响电压稳定。电网原采用固定式的电容补偿装置进行功率因数补偿，但存在以下问题：1）固定式电容补偿装置，由现场值班人员手动操作。2）功率因数达不到0.9，每年利率调整费额达到几十万元。3）备操作频繁，经常出现故障。4）维护量大。

第二十八页，共43页。3、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。第二十九页，共43页。4、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；第三十页，共43页。5、铁路行业负荷特点 电气化铁路是重要的电力用户。电气化铁路牵引负荷是典型的单相非线性冲击负荷，它对电网的安全稳定和经济运行产生严重的不良影响，具体主要表现在： 1）采用单相供电，造成供电网三相不平衡 2）接触网因无功压降导致牵引网末端电压严重降低 3）产生负序电流 4）产生大量高次谐波，使电网电压波形发生畸变 5）功率因数低 6）对电网冲击大，影响电能质量第三十一页，共43页。经济效益分析降损节能经济效益分析社会效益分析用途与效果无功功率的节约当量的定义和意义采用无功功率的节约当量估算投资回报终端用户经济效益分析配电变压器无功补偿经济效益分析改善电压质量、提高设备出力改善功率因数、提高设备出力典型负荷----电弧炉的节电效益第三十二页，共43页。无功功率的节约当量的定义：无功功率的节约当量的定义第三十三页，共43页。用于衡量当某负荷点增加或减少1kVar无功功率时，可以节约或增加的有功功率损耗值的大小，从而可以粗略估算负荷点进行无功补偿是否必要。无功功率的节约当量是根据实际网络和运行状况计算出的，不同的网络或不同的运行状况可能差异较大。典型数据：一般来说，三级变压器供电的无功功率的节约当量取值范围：0.10~0.15；四级变压器供电的无功功率的节约当量取值范围：0.12~0.20；配电变压器一般是三级或四级变压器供电。四级变压器供电的末端负荷的无功功率的节约当量取值范围：0.15~0.25。无功功率的节约当量的意义第三十四页，共43页。设:无功功率的节约当量为：0.15（kW/kVar）燃煤发电投资为：4000(元/kW)我国产值能耗为：404（克标准煤/千瓦时）无功补偿容量最大利用小时数为6000小时政府投入1kVar动态无功补偿容量(目前市场行情是500元/kVar)采用无功功率的节约当量估算投资回报结论：

投资1千乏动态无功补偿容量，可以节省：发购电投资：600(元),此外,减少能源消耗和环境污染

4000(元/kW)X0.15（kW/kVar）X1（kVar）=600(元)每年节省煤耗：363.6（公斤标准煤）404（克标准煤/千瓦时）X0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小时)=363600（克标准煤）=363.6（公斤标准煤）年节省电耗：900（千瓦时）0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小时)X0.5（元/千瓦时）=900（千瓦时）年节省电费：450（元）900（千瓦时）X0.5（元/千瓦时）=450（元）投资回报:1、如果终端用户投入1kVar动态无功补偿，即投入500元，则：终端用户节电450元，一年多可收回投资；同时，政府节省发购电投资600元2、如果政府投入1kVar动态无功补偿，即投入500元，则：政府节省发购电投资600元，不到一年就可收回投资，同时终端用户节电450元。3、如果政府与终端用户各投资一半则：双方均半年左右就收回投资第三十五页，共43页。减少电费支出增加设备出力提高生产质量和生产效率，降低生产成本减少生产或用电设备损耗，提高寿命终端用户经济效益分析补偿前功率因数节能效益第三十六页，共43页。配电变压器无功补偿经济效益分析实际问题：变压器容量：1000kVA，补偿容量：480kVar最大负荷年运行小时：5000小时补偿前功率因数：0.65，补偿后：0.98标准功率因数：0.9，平均电价：0.5元/kW•h补偿前线损率：12%，负荷率：0.7万元算一笔经济帐：可产生直接经济效益：(1)可提高终端用户的变压器供电能力：336.7kVA，1年内供电企业有可能多供电创收57.74万元，可以减少电力增容；(2)降低线损：53%，1年内降低电网电能损耗：10.91万元；(3)用户少支出低功率因数罚金：17.06万元/年;(4)用户可获高功率因数奖金：1.28万元/年；用户共增收节支：17.06+1.28=18.34万元/年投资回报期：如果终端用户投资动态无功补偿装置（24万），则1.3年收回投资。第三十七页，共43页。计算依据：(1)1000(kVA)(1－0.65/0.98)=336.7(kVA)336.7(kVA)×0.98×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7=577,441(元/年)；(2)12%×53%[1]=6.36%,1000(kVA)×0.98×6.36%×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7=109,074(元/年)(3)1000(kVA)×0.65×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7×15%(增收率)[2],[3]=170,625(元/年)(4)1000(kVA)×0.98×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7×0.75%(减收率)[2],[3]=12,863(元/年)(5)480(kVA)×500(元/kVar)/(170,625+12,863)=1.3（年）[1]陆孟君等,城乡电力网无功补偿技术,水利电力出版社,北京,1988[2]靳龙章等,电网无功补偿实用技术,我国水利水电出版社,北京,1997[3]原水利电力部和国家物价局关于“功率因数调整电费办法”的规定,北京,1983年第三十八页，共43页。若补偿前电压为：V=0.9VN，补偿后的电压为V+V=VN(额定电压)，则电动机负荷的力矩增加19%。即：V(2V+V)=0.1×(2×0.9+0.1)VN=0.19VN2。即：若无功补偿将电压提高10%，则电动机负荷的出力将增加19%。改善电压质量提高设备出力第三十九页，共43页。提高变压器的出力（多供电）补偿后的功率因数减去补偿前的功率因数0.95-0.5=45%，