C10供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償.ppt

第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-1),一、電能質(zhì)量概述電能質(zhì)量是指電氣設(shè)備正常運行所需要的電氣特性，任何導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差都屬于電能質(zhì)量問題。理想的電能質(zhì)量：系統(tǒng)頻率恒為額定頻率；三相電壓波形是三相對稱的、幅值恒為額定電壓的正弦波形；三相電流波形是三相對稱的正弦波形；供電不間斷。,任何與理想電能質(zhì)量的偏差都屬于電能質(zhì)量擾動。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-2),電能質(zhì)量擾動的分類：暫態(tài)擾動通常指持續(xù)時間不超過3個周波的擾動。分為脈沖型和振蕩型兩種。短期電壓變化電壓跌落、電壓突升和短暫斷電。長期電壓變化電壓幅值長期偏離其額定值；包括電壓偏差和持續(xù)斷電。電壓波動電壓幅值周期性下降和上升。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-3),波形畸變包括電力諧波、電壓缺口、直流偏置和寬帶噪音；三相不平衡供電電源的三相電壓不對稱或負(fù)荷三相電流不對稱，即三相幅值不等或相角差不等于1200。頻率變化基波頻率偏離其額定頻率，包括頻率偏差和頻率波動，典型的頻率波動周期為10s之內(nèi)。,電能質(zhì)量擾動是客觀存在的，它嚴(yán)重干擾著用電設(shè)備尤其是信息處理設(shè)備的正常運行。因此，一方面應(yīng)該規(guī)定電網(wǎng)的電能質(zhì)量擾動允許值，另一方面，用電設(shè)備也應(yīng)該具有一定的電能質(zhì)量擾動耐受容限。影響電壓質(zhì)量的主要因素：負(fù)荷無功功率或無功功率變化量。電網(wǎng)短路容量或電網(wǎng)等效電抗。負(fù)荷無功功率或無功變化量越大，對電壓質(zhì)量的影響越大；電網(wǎng)短路容量越大，則負(fù)荷變化對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響越小。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-4),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-5),我國已頒布的電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)：GB12325-1990電能質(zhì)量供電電壓允許偏差GB/T14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T15543-1995電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度GB/T15945-1995電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差GB12326-2000電能質(zhì)量電壓波動和閃變GB/T18481-2001電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-6),本章主要討論的電能質(zhì)量問題：電壓偏差及調(diào)節(jié)；電壓波動和閃變及其抑制；電力諧波及其抑制；供電系統(tǒng)的三相不平衡；供電系統(tǒng)的無功功率補償；,二、電壓偏差及其調(diào)節(jié)1、電壓偏差及其限值電壓偏差是指電網(wǎng)由于電力負(fù)荷的變化或運行方式的改變，使系統(tǒng)中某點的實際電壓偏離額定電壓。偏離的幅度定義為電壓偏差。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-7),電壓偏差表示為：,產(chǎn)生電壓偏差的根本原因,系統(tǒng)中的電壓損失,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-8),國標(biāo)規(guī)定，供電部門與用戶的產(chǎn)權(quán)分界處或供用電協(xié)議規(guī)定的電能計量點的最大允許電壓偏差應(yīng)不超過：UN35kV電壓正、負(fù)偏差絕對值之和為10UN10kV7220V單相供電電壓+7，-10,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-9),2、變壓器對電壓偏差的影響變壓器分接頭對電壓偏差的影響降壓變壓器的一次側(cè)，根據(jù)容量的不同都設(shè)有若干個分接頭。普通變壓器只能在不帶電的情況下改換分接頭，對每一臺變壓器在投入運行前都應(yīng)該選擇一個合適的分接頭。,如：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-10),變壓器參數(shù)表示符號tap變壓器的分接頭位置；Uf變壓器一次側(cè)的分接頭電壓；UT1變壓器一次側(cè)額定電壓；UT2變壓器二次側(cè)空載額定電壓（零分接頭和一次側(cè)額定電壓的條件下）；U20變壓器二次側(cè)空載輸出電壓（實際分接頭和一次側(cè)實際電壓的條件下）；U1變壓器一次側(cè)實際輸入電壓；U2變壓器二次側(cè)實際輸出電壓。,變壓器的分接頭電壓和二次側(cè)空載輸出電壓分別可表示為：,顯然，當(dāng)同一進線電壓接在不同的分接頭時，二次電壓對電網(wǎng)額定電壓的偏差量則不同。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-11),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-12),當(dāng)在變壓器一次側(cè)分接頭上所加電壓為U1時，單純由變壓器分接頭調(diào)整而引入的電壓偏差Uf%為：,變壓器中的電壓損失,變壓器引起的電壓偏差考慮變壓器的電壓損失和分接頭調(diào)整后，變壓器一次側(cè)與二次側(cè)電壓之間的關(guān)系為：可得由變壓器本身所產(chǎn)生的總的電壓偏差量：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-13),3、電壓偏差的計算,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-14),如圖所示，設(shè)電源母線上的電壓偏差量為UA%，線路l1的電壓損失為Ul1%，變壓器引起的電壓偏差量為UT%，低壓線路l2的電壓損失為Ul2%，,則B、C、D各點的電壓偏差分別為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-15),將上述概念推廣到任一供電系統(tǒng)，如果由供電電源到某指定地點有多級多壓或裝有調(diào)壓設(shè)備，則指定地點的電壓偏差可由下式計算,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-16),4、電壓偏差的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電壓的目的是要在正常運行條件下，保持供電系統(tǒng)中各用電設(shè)備的端電壓偏差不超過規(guī)定值。,電壓調(diào)節(jié)的方式通常選擇電網(wǎng)的電壓中樞點（發(fā)電廠、區(qū)域變電所或用戶總降壓變電所）作為電壓調(diào)節(jié)點，對其電壓進行監(jiān)視和調(diào)節(jié)。中樞點調(diào)壓方式有常調(diào)壓和逆調(diào)壓兩種。常調(diào)壓無論負(fù)荷怎樣變化，維持中樞點電壓恒定。逆調(diào)壓最大負(fù)荷時，升高中樞點電壓；最小負(fù)荷時，降低中樞點電壓。,電壓調(diào)節(jié)的方法對于用戶供電系統(tǒng)，電壓偏差調(diào)節(jié)主要從降低線路電壓損失和調(diào)整變壓器分接頭兩方面入手。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-17),合理設(shè)計供電系統(tǒng)，減小線路電壓損失,高壓深入負(fù)荷中心供電；配電變壓器分散設(shè)置到用電中心；按允許電壓損失選擇導(dǎo)線截面；用電纜替代架空線路；設(shè)置無功補償裝置等。,2）合理選擇變壓器的分接頭變壓器的分接頭電壓應(yīng)滿足下列條件：最大負(fù)荷時最小負(fù)荷時根據(jù)上述要求，應(yīng)就近選取標(biāo)稱的分接頭。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-18),設(shè)計中取,選取最接近的標(biāo)稱分接頭電壓。,例6-1某變電所裝設(shè)一臺10MVA變壓器，變壓器變比為KT=11022.56.6kV。在最大負(fù)荷下，高壓側(cè)進線電壓為112kV，變壓器折算至高壓側(cè)的電壓損失為5.63；在最小負(fù)荷下，高壓側(cè)進線電壓為115kV，變壓器折算至高壓側(cè)的電壓損失為2.81。要求變電所低壓母線的電壓偏差為額定電壓6kV的：最大負(fù)荷時0，最小負(fù)荷時+7.5。試合理選擇該變壓器的分接頭。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-19),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-20),解：,最大負(fù)荷時,最小負(fù)荷時,確定分接頭電壓,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-21),結(jié)論：選取+5分接頭，分接頭電壓為115.5kV。,則：,校驗：,最大負(fù)荷時：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-22),最小負(fù)荷時：,故選擇5的分接頭電壓，在最大負(fù)荷時，變電所低壓母線的電壓偏差不低于0；在最小負(fù)荷時，變電所低壓母線的電壓偏差不高于7；因此，滿足調(diào)壓要求。,三、電壓波動和閃變及其抑制1、定義電壓波動：電網(wǎng)電壓幅值（或半周波方均根值）的連續(xù)快速變化。將電網(wǎng)電壓每半周波的方均根值按時間序列排列，其包絡(luò)線即為電壓波動波形;電壓波動波形上相鄰兩個極值之間的變化過程稱為一次電壓變動;電壓變動的電壓變化率應(yīng)不低于每秒0.2;當(dāng)電壓向同一方向變動時，若本次變動結(jié)束到下一次變動開始的時間不大于30ms，只算作一次變化。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-23),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-24),t1t2和t2t3各為一次電壓變動;t6t7間的電壓變化()不計為電壓變動；t4t5間的電壓同方向變化間隔小于30ms,計為一次變動。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-25),電壓變動幅度d用各次電壓變化量與電網(wǎng)額定電壓之比來表示。即：,電壓變動頻度r是指單位時間（1h或1min）內(nèi)電壓變動的次數(shù)。電壓從高到低或從低回到高的變化，各算一次電壓變動。因此，對于周期性的電壓波動而言，電壓變動頻度是電壓波動頻率的2倍。,電壓波動用電壓變動幅度d和變動頻度r來綜合衡量。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-26),電壓波動是由波動負(fù)荷的劇烈變化引起的。大容量負(fù)荷的劇烈變化在供電系統(tǒng)阻抗上引起電壓損失的變化，從而引起各級電網(wǎng)電壓水平的快速變化。設(shè)供電系統(tǒng)中某一評價點的電力負(fù)荷由(P+jQ)變化為(P+P)+j(Q+Q)，則負(fù)荷變化在該點引起的電壓變動值為：結(jié)論：在沖擊性負(fù)荷下，電壓變動值與負(fù)荷的無功功率變化量成正比，與電網(wǎng)的短路容量成反比。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-27),證明:,(由于沖擊性負(fù)荷PQ),(設(shè)UN=Uj),(R、X電源至評價點的電阻、電抗),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-28),由于電壓波動是用戶中的波動負(fù)荷從電網(wǎng)取用快速變動的功率而引起的（典型的波動負(fù)荷有煉鋼電弧爐、軋機、電弧焊機等）。根據(jù)負(fù)荷的變化特征，電壓波動可分為：電壓變動頻繁且具有一定規(guī)律的周期性電壓波動，如電力電子裝置供電的軋鋼設(shè)備產(chǎn)生的電壓波動。電壓變動頻繁且無規(guī)律的隨機性電壓波動，如煉鋼用交流電弧爐產(chǎn)生的電壓波動。偶發(fā)性的電壓波動，如電動機起動時沖擊電流引起的電壓波動。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-29),電壓波動的允許值,實測條件采用負(fù)荷的最大無功變化量和電網(wǎng)的最小短路容量。實測值的95概率大值與限值比較；,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-30),電壓閃變:照明用白熾燈對電壓波動特別敏感，電壓波動使燈光閃爍，刺激眼睛，干擾人們的正常工作，電壓波動的這種效應(yīng)稱為電壓閃變。2、電壓波動和閃變的估算波動負(fù)荷引起的電壓波動和閃變通常以實測結(jié)果作為評價的依據(jù)。但在設(shè)計的初始階段，電壓波動和閃變可按下述方法估算。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-31),1電壓波動的估算根據(jù)波動負(fù)荷的功率變化量估算出電壓變動值。,2周期性矩形（或階躍）電壓波動的閃變估算對于周期性等間隔的矩形（或階躍）電壓波動，當(dāng)已知電壓變動值d和電壓變動頻度r時，首先按照r查出與單位閃變曲線（Pst=1）相對應(yīng)的電壓變動dlim，則相應(yīng)的短時電壓閃變Pst可估算如下：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-32),周期性矩形波（或階躍波）電壓波動的單位閃變曲線,3非周期性階躍電壓波動的閃變估算對于非周期性階躍電壓波動(要求相鄰兩次電壓變動之間的時間間隔不小于1s)，首先求出最嚴(yán)重的10min測評時段內(nèi)每一次電壓變動d所對應(yīng)的閃變時間tf，然后計算該10min時段內(nèi)各次閃變時間之和，則求出該時段內(nèi)的短時電壓閃變值。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-33),例6-2某階躍波動負(fù)荷在10min工作周期內(nèi)，在公共連接點產(chǎn)生了12次4.8的電壓變動，30次1.7的變動和100次0.9的變動，試估算該負(fù)荷引起的電壓閃變水平。解：每種電壓變動的閃變時間為對應(yīng)于d4.8%，得tf=2.34.83=254.4s對應(yīng)于d1.7%，得tf=2.31.73=11.3s對應(yīng)于d0.9%，得tf=2.30.93=1.7s總閃變時間為：短時電壓閃變值為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-34),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-35),4電動機起動引起的電壓波動的估算大容量電動機起動時，會在配電母線上引起短時的電壓波動，只要該波動不危及供電安全并能保證電動機正常起動，可以允許電機配電母線上有比較大的電壓波動值。電動機起動時配電母線上的電壓應(yīng)滿足:1)一般情況下，電動機頻繁起動時不應(yīng)低于母線額定電壓的90，電動機非頻繁起動時；不宜低于額定電壓的85。2)配電母線上未接照明負(fù)荷或其它對電壓下降較敏感的設(shè)備且電動機非頻繁起動時，不應(yīng)低于母線額定電壓的80。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-36),電動機起動時引起的電壓波動估算,系統(tǒng)如圖所示：選取母線額定電壓為基準(zhǔn)電壓，則電動機起動前母線電壓標(biāo)幺值為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-307),若設(shè)電源電壓在電動機起動前后保持不變，則電源電壓標(biāo)幺值表示為：,在電動機起動瞬間，電動機回路等效電抗為Xst,則電動機起動時配電母線電壓標(biāo)幺值為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-38),式中：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-39),故電動機起動時，電動機端電壓為：,電動機起動時，配電母線上電壓波動（電壓突降）為：,分析表明：電動機起動時，電動機前串的電抗值越大，配電母線電壓波動越??；但電動機端電壓越低。即串電抗器可以減小電壓波動，但電動機端電壓降低，起動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低。（電抗器值合理選擇）,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-40),例1：一臺2500kW同步電動機，采用變壓器電動機組方式起動，如圖所示。已知10kV母線短路容量為81MVA,試求電動機起動時電動機的端電壓。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-41),解：設(shè)電動機起動前10kV母線電壓為額定值，即：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-42),結(jié)論：該電動機起動時，母線電壓為額定電壓的82.2，加在電動機端子上的電壓僅為額定電壓的57。電動機前串接的變壓器為隔離變壓器，目的是抑制電動機的起動電流對電網(wǎng)的影響，若不串變壓器，則有：,即：母線電壓為額定電壓的76。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-43),例2：某高壓電動機供電系統(tǒng)如圖所示，設(shè)電動機起動前母線電壓為額定值，要求電動機起動時6kV母線電壓水平不得低于額定電壓的85，試求：若電動機全壓起動，母線電壓水平能否滿足要求？若采用串聯(lián)電抗器降壓起動方式，試選擇滿足母線電壓要求條件下的電抗器電抗值。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-44),解：依題意有,(1)全壓起動時,0.85,全壓起動不滿足母線電壓水平要求。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-45),（2）串聯(lián)電抗器降壓起動,由,求得,采用串聯(lián)電抗器后，電動機起動時，電機端電壓為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-46),電動機直接起動容量估算設(shè)電動機直接起動時母線電壓為額定值，即：,由于此時,則電動機起動瞬間母線電壓波動值為：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-47),若近似認(rèn)為供電電源為無窮大功率電源，配電變壓器容量為SN.T，變壓器阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為uk%，并設(shè)配電母線上其它負(fù)荷的無功功率為變壓器額定容量的60（QL=0.6SN.T),則電動機起動瞬間母線電壓波動值為：,依上式可求出，在配電母線電壓波動值約束條件下的直接起動電動機容量PN.M和配電變壓器容量SN.T之間的關(guān)系。即：,參閱P169表64,5、減小電壓波動和閃變的措施,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-48),提高供電系統(tǒng)短路容量,(1)提高供電電壓。(2)采用雙回線路并聯(lián)供電。(3)采用線路串聯(lián)補償，降低輸電線路電抗，或動態(tài)補償線路壓降。,減小波動負(fù)荷的無功功率變化量,(1)改善工藝，減小負(fù)荷波動。(2)改變波動負(fù)荷供電回路參數(shù)（如串電抗器等）。(3)采用動態(tài)無功功率補償裝置（SVC）。,圖示為TCR型SVC主回路及其工作原理圖。設(shè)負(fù)荷無功功率變化量為QL,利用晶閘管的相位控制TCR的無功功率QLR對應(yīng)QL相反的變化量，使（QLR+QL)為一恒定的感性無功，電容器支路產(chǎn)生的容性無功QC與（QLR+QL)相互補償，從而使系統(tǒng)的無功功率QS基本保持恒定。,TCR型靜止無功補償器的主電路結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)原理a)主電路結(jié)構(gòu)b)TCR無功電流調(diào)節(jié)原理示意圖,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-49),四、電力諧波及其抑制,1.諧波基礎(chǔ)1）諧波定義國際上現(xiàn)在公認(rèn)的諧波定義為:諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。在供電系統(tǒng)中，除整數(shù)次諧波外，還存在有諧間波。諧間波是指那些頻率不是基波頻率整數(shù)倍的諧波分量。在電力系統(tǒng)諧波中，諧間波的成分較小。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-50),2）諧波發(fā)生源具有鐵磁飽和特性的設(shè)備（變壓器、電抗器）；具有電弧特性的設(shè)備（交流電弧爐、弧焊設(shè)備）；各種電力電子設(shè)備（變流裝置、電力機車、家用電器）；電力系統(tǒng)：包含的能產(chǎn)生諧波電流的非線性元件主要是變壓器的空載電流，交直流換流站的可控硅元件，可控硅控制的電容器、電抗器組等。電力負(fù)荷：電力系統(tǒng)諧波更主要的來源是各種非線性負(fù)荷用戶。對于諧波電流含量只決定于其本身的特性和工況，基本上與電力系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)的諧波源，可看作諧波恒流源。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-51),P172、173表65、66、67,3）諧波危害產(chǎn)生諧波附加損耗，使設(shè)備過熱以及諧波過電壓加速設(shè)備絕緣老化等并聯(lián)電容器與系統(tǒng)等效電抗可能在某次諧波附近發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波電壓和諧波電流的嚴(yán)重放大引起繼電保護和自動裝置誤動作影響電能計量精度影響通信質(zhì)量,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-52),2諧波的評價計算與限值1）評價計算（1）單次諧波含有率h次諧波含有率定義為第h次諧波分量方均根值與基波分量方均根值之比，即：（2）總諧波畸變率總諧波畸變率則定義為諧波含量與基波分量方均根值之比，即：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-53),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-54),2）諧波限值（P175表6-8）各級電網(wǎng)電壓下的諧波電壓限值,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-55),各級電網(wǎng)電壓下用戶注入到公共連接點的諧波電流允許值,當(dāng)電網(wǎng)公共連接點的實際最小短路容量Sk與表中的基準(zhǔn)短路容量Sj不同時，實際允許注入電網(wǎng)的諧波電流限制應(yīng)按下式修正。,3.供電系統(tǒng)諧波分析計算1）供電系統(tǒng)各元件諧波等效模型供電系統(tǒng)各元件諧波等效模型是諧波分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在分析計算中，通常近似認(rèn)為：式中:X、Xh分別為元件基波和h次諧波感抗；XC、XCh分別為元件基波和h次諧波容抗；R、Rh分別為元件基波和h次諧波電阻；,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-56),（1）系統(tǒng)諧波阻抗式中：Sk系統(tǒng)對該點的短路容量，UN網(wǎng)絡(luò)額定電壓，Xs1基波電抗。（2）供電線路（3）變壓器(雙繞組）（4）并聯(lián)電容器（5）電抗器（6）電力負(fù)荷:,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-57),2）系統(tǒng)等效電路及其諧波分布分析將供電系統(tǒng)各元件的等效模型按系統(tǒng)聯(lián)接關(guān)系逐一替換，即可得系統(tǒng)等效電路，供電系統(tǒng)在基波和h次諧波下的等效電路的一般結(jié)構(gòu)如圖所示：,供電系統(tǒng)等效電路一般結(jié)構(gòu)a)基波等效電路b)諧波等效電路,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-58),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-59),在構(gòu)建諧波近似計算等效電路時，應(yīng)注意：以諧波源為電源中心，按照實際電路構(gòu)成。此時系統(tǒng)電源不再是以電源的形式出現(xiàn)，而是以諧波源負(fù)載阻抗的形式出現(xiàn)。電路元件可用有名值計算，也可用標(biāo)幺值計算。在含有不同電壓等級的供電系統(tǒng)諧波計算中，應(yīng)注意參數(shù)的歸算問題。在一般的近似計算中，元件的電阻均可忽略。但當(dāng)系統(tǒng)中的某一部分發(fā)生或接近并聯(lián)（或串聯(lián)）諧振時，電阻的影響就不能忽略。在諧波的近似計算中，首先必須求出諧波源注入系統(tǒng)總的諧波電流。再根據(jù)諧波作用等效電路計算系統(tǒng)各支路的諧波電流和各節(jié)點的諧波電壓分布。,4.并聯(lián)電容器對諧波的放大作用1）電容器對諧波的放大作用下圖所示為供電給整流裝置的供電系統(tǒng)簡圖及其等效電路。,整流裝置供電系統(tǒng)簡圖,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-60),由等效電路可得：令電容器對諧波是否具有放大作用，取決于系數(shù)Kh的大小。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-57),2）諧波放大的防止與消除若在電容器回路串接一個電抗器，通過選擇電抗值使電容器回路在最低次諧波頻率下呈現(xiàn)出感性，則可消除諧波放大現(xiàn)象。,圖6-22串聯(lián)電抗器防止諧波放大,為避免諧波放大，串聯(lián)電抗器的電感量L應(yīng)滿足下式關(guān)系：式中XLR串聯(lián)電抗器等效基波電抗；XC并聯(lián)電容器組等效基波容抗；hmin諧波源最低次諧波的次數(shù)?？紤]到電抗器和電容器的制造誤差，通常取：,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-58),5.諧波的抑制首先應(yīng)考慮采用新技術(shù)或新裝置，盡量減小諧波源設(shè)備的諧波發(fā)生量。減小諧波源設(shè)備諧波發(fā)生量的主要方法有：增加整流裝置的相數(shù)采用PWM整流器改變供電系統(tǒng)的運行方式如果諧波仍然超標(biāo)，應(yīng)裝設(shè)濾波器。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-59),1）無源濾波器無源電力濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器連接而成。利用電抗器與電容器的串并聯(lián)諧振來達到抑制諧波的目的。無源濾波器也稱調(diào)諧濾波器。單調(diào)諧濾波器：雙調(diào)諧濾波器高通濾波器一套無源電力諧波濾波裝置通常包括多組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-60),缺點：失諧，產(chǎn)生原因有：電網(wǎng)工頻頻率的偏差組成濾波裝置的元件本身誤差環(huán)境溫度的變化對元件參數(shù)的影響濾波器成組的配合精度等為了防止濾波器失諧引起諧波放大，單調(diào)諧濾波器通常采用偏調(diào)諧設(shè)計方法。在選擇濾波器參數(shù)時，使濾波器的理論諧振頻率低于諧波頻率約6。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-61),2）有源濾波器有源電力濾波器是一種廣譜濾波器，能夠濾除多種諧波分量，目前可以濾除25次以下的諧波。有源濾波器具有如下優(yōu)點：高度可控性和快速響應(yīng)性濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，可以重置自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-62),并聯(lián)型有源電力濾波器的原理結(jié)構(gòu),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-63),就目前的實際情況而言，由于受電力電子器件和裝置工藝的限制，有源濾波器的耐壓和容量還非常有限，只限應(yīng)用于中低壓系統(tǒng)。此外，有源濾波器的單位容量成本較高，也是限制其推廣應(yīng)用的一個因素。無源濾波器與有源濾波器各有其優(yōu)缺點。無源濾波器容量大、簡單可靠、成本低，但濾波性能較差；有源濾波器濾波性能好，但裝置容量有限、電壓水平低、成本高。因此，將有源濾波器與無源濾波器有機地結(jié)合起來，形成了混合濾波器，在技術(shù)和經(jīng)濟兩方面將是一個比較好的折中方案。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-64),第五節(jié)供電系統(tǒng)的三相不平衡1.三相不平衡的概念與危害在三相正弦系統(tǒng)中，當(dāng)三相相量間幅值不等或相位差不為120時，稱三相不對稱或三相不平衡。原因：三相負(fù)荷不對稱所引起。危害：1）感應(yīng)電動機：降低輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生負(fù)序電流2）變壓器：不能充分利用3)變流裝置：產(chǎn)生非特征諧波4）增大線路中功耗,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-65),2.三相不平衡度的計算及其限值1）不平衡度定義式中U%、I%分別為三相電壓和電流的不平衡度；U1、I1分別為電壓和電流的正序分量方均根值；U2、I2分別為電壓和電流的負(fù)序分量方均根值；在三相電源及負(fù)荷對稱的系統(tǒng)中，由于在某一相上增設(shè)了單相負(fù)荷而引起的三相電壓不平衡度也可按下式進行估算:SL(1)單相負(fù)荷的容量；Sk(3)計算點系統(tǒng)三相短路容量。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-66),2）限值電力系統(tǒng)公共連接點正常不平衡度允許值為2，短時不得超過4；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3。3）解決途徑合理分配和布局單相用電負(fù)荷；采取補償裝置，補償系統(tǒng)中的不平衡負(fù)荷。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-67),單相用電負(fù)荷在三相系統(tǒng)中容量和位置的不合理分布是造成三相不平衡的主要原因之一。在設(shè)計供電系統(tǒng)時，首先要將單相負(fù)荷平衡地分布于三相中，同時要考慮到用電設(shè)備功率因數(shù)的不同，盡量兼顧有功功率與無功功率均能平衡分布。在低壓系統(tǒng)中，各相安裝的單相用電設(shè)備其各相之間容量最大值與最小值之差不應(yīng)超過15。當(dāng)采用合理分布的方法達不到指定指標(biāo)要求時，采取以下措施：將不對稱負(fù)荷連接在短路容量較大的系統(tǒng)對不平衡負(fù)荷采用單獨的變壓器供電采用平衡電抗器和電容器組成的電流平衡裝置采用特殊接線的變壓器,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-68),第六節(jié)供電系統(tǒng)的無功功率補償1.無功功率與功率因數(shù)1）無功功率無功功率定義為電路中電感元件和電容元件在一個工頻周期中所吸收的最大功率U、I分別為三相線電壓和電流的有效值特征：感性無功功率與容性無功功率可以互補分類：基波正序無功功率、基波負(fù)序無功功率、各次諧波的無功功率。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-69),2）功率因數(shù)式中，P為三相有功功率，S為三相視在功率。上式既適用于三相正弦對稱系統(tǒng)，也適用于三相非正弦系統(tǒng)或三相不對稱系統(tǒng)。對于正弦系統(tǒng)，每相的功率因數(shù)定義為該相電流與電壓的相位差的余弦值cos，通常也稱為位移因數(shù)。對于非正弦系統(tǒng)，通過傅立葉變換可以得到各相的基波位移因數(shù)。在對稱的三相正弦系統(tǒng)中，三相功率因數(shù)相等，即三相總功率因數(shù)等于各相的位移因數(shù)。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-70),2、無功補償?shù)囊饬x與途徑無功功率低下的影響：（1）增大輸電線路中的電流，產(chǎn)生額外的電能損耗（2）增大系統(tǒng)供電容量，降低了線路和變壓器的利用率（3）增大了線路電壓降，降低了電網(wǎng)的電壓質(zhì)量無功補償意義：（1）節(jié)能降耗（2）降低供電系統(tǒng)的投資費用（3）調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓無功補償途徑：（1）提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)（2）就近裝設(shè)無功補償裝置,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-71),3、無功補償?shù)姆绞桨凑諢o功補償容量的調(diào)節(jié)方式分為動態(tài)補償和靜態(tài)補償。按照無功補償裝置的安裝地點分為就地補償和集中補償。4、無功補償容量的確定補償容量的估算方法：（1）按提高功率因數(shù)確定補償容量（2）按抑制電壓波動和閃變確定補償容量（3）按調(diào)整運行電壓來確定補償容量式中，Sk為補償裝置安裝點的系統(tǒng)短路容量,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-72),5.無功補償裝置的類型按照補償裝置與被補償設(shè)備的連接關(guān)系：并聯(lián)型和串聯(lián)型。按照補償裝置中調(diào)節(jié)機構(gòu)：靜止開關(guān)型和機械開關(guān)型。按補償原理：無源型和有源型。無源補償裝置等效為一個固定或可控的電容器或電抗器，有源補償裝置則等效為一個可控的無功電流發(fā)生器。并聯(lián)無源型補償裝置的補償原理是，在控制系統(tǒng)作用下，使補償裝置的等效電抗與負(fù)荷電抗大小相等而性質(zhì)相反。并聯(lián)有源型補償裝置的補償原理是，在控制系統(tǒng)作用下，使無功電流發(fā)生器發(fā)出的無功電流與負(fù)荷無功電流大小相等而相位相反。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-73),1）常規(guī)無功補償裝置補償裝置由電容器組、電容器支路保護和投切開關(guān)、自動補償控制器等組成。圖中，斷路器作為過電流保護和檢修隔離開關(guān)，接觸器作為電容器的投切開關(guān)，由無功補償自動控制器控制，電容器作為感性無功功率的補償設(shè)備，自動控制器根據(jù)控制目標(biāo)實現(xiàn)各組電容器的投切控制。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-74),常規(guī)補償裝置的缺點：（1）投入時刻不能精確確定，導(dǎo)致投入時在電容器中產(chǎn)生很大涌流；（2）切除時刻不能精確確定，導(dǎo)致切除時在開關(guān)器件觸頭處產(chǎn)生電??；（3）投切速度慢，動態(tài)跟蹤補償性能差；（4）機械開關(guān)投切次數(shù)有限，壽命短。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-75),2）靜止無功補償器SVC以晶閘管開關(guān)為代表的靜止無功補償器SVC，實現(xiàn)了電容器投切時刻的準(zhǔn)確控制，解決了投入涌流和切除電弧問題，實現(xiàn)了快速投切和補償無功的連續(xù)調(diào)節(jié)。SVC電路結(jié)構(gòu)分為：晶閘管投切電容器TSC和晶閘管控制電抗器TCR。TSC只能有級地調(diào)節(jié)補償無功功率，而TCR可以連續(xù)調(diào)節(jié)補償無功功率。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-76),TSC的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。通過控制晶閘管的開通時刻，可以實現(xiàn)投入無涌流。由于晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷，因而切除時亦無過電壓（電?。┊a(chǎn)生。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-77),下圖列出了電容器初始電壓不同的情況下使電容器投入電流最小的幾種可能時刻：電源電壓瞬時值與電容器當(dāng)前初始電壓相等時。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-78),TCR型SVC是利用晶閘管相位控制，連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器支路在一個工頻周期中的接通時間，實現(xiàn)了補償無功功率的動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)。由于負(fù)荷通常是感性的，因而，TCR常與固定電容器支路FC并聯(lián)，一起構(gòu)成雙向無功補償裝置。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-79),TCR無功電流調(diào)節(jié)原理示意圖,可以看出，調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償電流的大小，而且晶閘管觸發(fā)角的控制范圍為90180。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-80),TCR支路電流是周期性的非正弦波，即TCR在系統(tǒng)中會產(chǎn)生一定的諧波干擾。從無功補償?shù)慕嵌?，通常主要關(guān)注基波無功功率。TCR基波無功電流與觸發(fā)角的關(guān)系，如下式所示：式中，為晶閘管在半個基波周期的導(dǎo)通角，BTCR為TCR的等效基波電納。由于三相TCR支路可以分相控制，因此，TCR與FC混合而成的SVC具有平衡三相不對稱負(fù)荷的能力。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-81),TCR型SVG缺點：產(chǎn)生較大的諧波；補償容量受到電源電壓的影響；當(dāng)電源電壓較低時，補償容量明顯下降。,TCR型SVC的伏安特性曲線,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-82),3）靜止同步補償器靜止同步補償器STATCOM是交流柔性輸電系統(tǒng)FACTS的一個重要組成部分。由于它將PWM控制的電壓源逆變器技術(shù)應(yīng)用到無功補償領(lǐng)域，不需要大容量的電容、電感等儲能元件，因而大大發(fā)展了傳統(tǒng)的無功控制概念。與SVC相比較，STATCOM具有諧波含量少、控制能力強、同容量下占地面積小等優(yōu)點。應(yīng)用于配電系統(tǒng)中的STATCOM則稱作配電系統(tǒng)靜止同步補償器DSTATCOM，主要用于中低壓系統(tǒng)無功功率的動態(tài)補償。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-83),圖6-33DSTATCOM的原理結(jié)構(gòu),第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-84),在理論分析中，假設(shè)直流側(cè)電壓穩(wěn)定，則可把電壓源逆變器看作一個與電源電壓同頻率的交流電壓源，如下圖所示：在理想情況下，電壓源逆變器輸出一個與電網(wǎng)電壓uS同頻同相的三相正弦電壓uc，從而通過濾波電抗器產(chǎn)生純無功補償電流ic。調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓uc的幅值大小，可以調(diào)節(jié)無功補償電流ic的大小和性質(zhì)，達到雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的目的。,DSTATCOM的等效電路,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-85),實際上，電壓源逆變器在工作過程中必然伴隨著能量損耗，濾波電抗器也存在一定電阻，因而，uc與uS之間不再同相，而是必須保持一定的相移角，以便由電網(wǎng)來補充補償裝置中的能量損耗。下圖為DSTATCOM的等效電路的相量圖：逆變器等效為一個無能量損耗的與電網(wǎng)電壓同步的正弦電壓源，其輸出正弦電壓的大小及其與電網(wǎng)電壓之間的相位差受到控制系統(tǒng)的控制。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-86),由等值電路可得DSTATCOM的穩(wěn)態(tài)功率表達式：當(dāng)ucuS時，DSTATCOM向系統(tǒng)發(fā)出容性無功。根據(jù)DSTATCOM輸出無功電流的誤差，調(diào)節(jié)控制角或電壓源逆變器的PWM調(diào)制深度，可以調(diào)節(jié)DSTATCOM輸出無功功率的大小和方向。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-87),DSTATCOM補償電流從容性突變到感性的過渡過程,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-88),6.無功補償裝置的發(fā)展1）主電路的發(fā)展提高無功連續(xù)調(diào)節(jié)的程度；提高無功調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度；具有分相補償或平衡三相不對稱負(fù)荷的能力；不受諧波的干擾或具有抑制諧波的功能；補償容量不受電網(wǎng)電壓變化的影響。2）控制器的發(fā)展應(yīng)用計算機控制技術(shù)；采取更為復(fù)雜的控制策略和完善的監(jiān)控措施；提高控制的精度；實現(xiàn)復(fù)合控制功能。,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-89),無功補償裝置的性能比較,第六章供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與無功補償(6-90),