供配電安全技術

第五講：電能質量與無功補償中國礦業大學信息與電氣工程學院電氣安全與智能電器研究所劉建華目錄一、電能質量簡介二、無功補償簡介三、諧波四、電能質量及無功補償治理一、電能質量簡介：內容及標準GB/T12325-2019

電能質量

供電電壓允許偏差GB/T12326-2019電能質量電壓波動和閃變GB/T15543-2019電能質量三相電壓允許不平衡度GB/T15945-2019電能質量電力系統頻率允許偏差GB/T18481-2019電能質量暫時過電壓和瞬態過電壓GB/T14549-1993電能質量公用電網諧波GB/T24337-2009電能質量公用電網間諧波2023/7/223中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介：供電電壓允許偏差電壓偏差計算：供電電壓的允許偏差：1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱系統電壓的10％；注：如供電電壓上下偏差同號（均為正或負）時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據。2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的±7％。3）220V單相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的+7％、－10％。4）對供電電壓允許偏差有特殊要求的用戶，由供用電雙方協議確定。2023/7/224中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介：電壓波動和閃變電壓變動特性d(t)：電壓方均根值變動的時間函數，以系統標稱電壓的百分數表示。電壓變動d：電壓變動特性d(t)上，相鄰兩個極值電壓之差。電壓變動頻度r：單位時間內電壓變動的次數(電壓由大到小或由小到大各算一次變動)。同一方向的若干次變動，如間隔時間小于30ms，則算一次變動。電壓波動：電壓方均根值一系列的變動或連續的改變。電壓變動頻度r次/小時電壓變動d的限值低壓、中壓高壓r≤1431＜r≤1032.510＜r≤10021.5100＜r≤10001.251電力系統公共連接點或波動負荷用戶引起的公共連接點電壓變動限值2023/7/225中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介：電壓波動和閃變(續)閃變時間t:一個有時間量綱的值，表示電壓變動的閃變影響，和波形、幅值以及頻度均有關。閃變：燈光照度不穩定造成的視感。短時間閃變值Pst:衡量短時間(若干分鐘)內閃變強弱的一個統計量值。長時間閃變值Plt:由短時間閃變值推算出，反映長時間(若干小時)閃變強弱的量值。電壓等級低壓中壓高壓短時間閃變值1.00.9(1.0)0.8長時間閃變值0.80.7(0.8)0.6注：短、長時間閃變值每次測量周期10min、2小時；中壓括號中的值僅適用于公共連接點連接的所有用戶為同電壓級的用戶場合。電力系統公共連接點各級電壓下的閃變限值2023/7/226中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介－三相電壓允許不平衡度電壓不平衡度允許值電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2％，短時不得超過4％(取值見附錄A)。電氣設備額定工況的電壓允許不平衡度和負序電流允許值仍由各自標準規定，例如旋轉電機按GB755《旋轉電機基本技術要求》規定。接于公共接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1．3％，根據連接點的負荷狀況，鄰近發電機、繼電保護和自動裝置安全運行要求，可作適當變動、但必須滿足上條的規定。用戶引起的電壓不平衡度允許值換算電壓不平衡度允許值一般可根據連接點的正常最小短路容量換算為相應的負序電流值，為分析或測算依據；鄰近大型旋轉電機的用戶，其負序電流值換算時應考慮旋轉電機的負阻抗。有關不平衡度的計算見附錄B。2023/7/227中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介－電力系統頻率允許偏差電力系統頻率允許偏差：正常允許±0.2Hz，當系統容量較小時允許±0.5Hz。用戶沖擊負荷引起的系統頻率變動一般不得超過±0.2Hz，根據沖擊負荷性質和大小以及系統的條件也可適當變動限值，但應保證近區電力網、發電機組和用戶的交全、穩定運行以及正常供電。2023/7/228中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介－公用電網諧波總諧波畸變率(THD)：周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比(用百分數表示)。分為電壓總諧波畸變率與電流總諧波畸變率。公用電網諧波電壓(相電壓)限值電網標稱電壓kV電壓總諧波畸變率％各次諧波電壓含有率％奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.82023/7/229中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介－公用電網諧波（續）公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量(方均根值)不應超過表2中規定的允許值。當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時，表2中的諧波電流允許值應進行換算即：各次諧波電流分量＝各次諧波電流允許值*(公共連接點的最小短路容量/基準短路容量)。2023/7/2210中國礦業大學信電學院一、電能質量簡介－暫時過電壓和瞬態過電壓交流電力系統中的電氣設備，在運行中除了作用有持續工頻電壓(其值不超過系統最高電壓Um,持續時間等于設計的運行壽命)外，還受到過電壓的作用。按照作用過電壓的幅值、波形及持續時間，可分為;—暫時過電壓，包括工頻過電壓、諧振過電壓;—瞬態過電壓，包括操作(緩波前)過電壓、雷電(快波前)過電壓一、電能質量簡介－暫時過電壓和瞬態過電壓各類過電壓的典型波形如下表所示：二、無功補償簡介：標準國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則2019；SD325-89電力系統電壓和無功電力技術導則;DL/T1010 高壓靜止無功補償裝置;GB/T15576 低壓成套無功功率補償裝置;GB50227

并聯電容器裝置設計規范二、無功補償簡介：無功補償的原理

將電容器和電感并聯在同一電路中，電感吸收能量時，電容釋放能量;而電感放出能量時，電容器吸收能量。因此能量就只在它們之間交換，即感性負荷所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補償。因此把由電容組成的裝置稱為無功補償裝置。無功補償的作用如下圖所示:設電感性負荷需要從電源吸取的無功功率為Q，裝設無功補償裝置后，補償無功功率為QC，使電源輸出的無功功率減少為Q1=Q一Qc，功率因數由cosΦ小提高到cosΦ’小、，視在功率S減少到S’.二、無功補償簡介：無功補償的主要方法

根據補償裝置安裝位置的不同，可以將無功補償分為個別補償（隨機補償或就地補償）、集中補償、分組補償（分散補償）。三種補償方式如下圖所示：二、無功補償簡介：無功補償的主要方法

就地補償:將低壓電容器組分散地與用電設備的供電回路相并聯，隨用電設備同時投入或退出運行，使用電設備消耗的無功功率得到就地補償，能獲得明顯的降損效益。集中補償:無功功率補償裝置通過開關接在母線側。用以補償配電變壓器、輸電線路、配電線路的無功功率損耗。三、諧波：諧波的產生非線性負載產生諧波：工業用易產生諧波設備：直流調速器、變頻調速器、不間斷電源系統（UPS）、現代照明系統、焊接裝置、感應加熱爐、整流器、飽和變壓器等。民用易產生諧波設備：電視機、空調、計算機、日光燈、電冰箱等。諧波流向：諧波電流主要流過電容器。諧波電流也流過電網。諧波電流的流動導致諧波電壓。諧波也注入其他接入同一電網總線的線性負載。注入電網的諧波也會流向聯網的其他用戶。2023/7/2217中國礦業大學信電學院三、諧波：三相整流產生的諧波三相整流設備產生的諧波電流，其諧波次數可按如下公式求得：N=fn/f1=K*P±1

公式中：

N=諧波次數；

fn=諧波電流頻率；f1=基波電流頻率；

K=1，2，3，…；P=整流設備的波頭數（6、12、24）。例如：6波頭的整流器將產生5，7，11，13…次諧波。三相整流設備產生的諧波電流值可按如下公式求得：In=I1/N

公式中：

In=N次諧波的電流值;I1=基波電流值;N=諧波次數。

2023/7/2218中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的種類

特性諧波：與相關回路結構相關.

有規律的諧波次數.

諧波頻率可由公式k*p+1;k=1,2,3…得到.

諧波頻率呈規律性.

非特性諧波：由頻率轉換設備產生.

系統不平衡(電壓和感抗)3次諧波（零序諧波）：

3*(2n+1),n=0,1,2…例如3,9,15,21..等.

主要影響零序.

增加零相電流.2023/7/2219中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的相序（1）每一諧波的相序都有關于基波的聯系.按約定基波被設定為正相序.所有高次諧波都有相對于基波的正、負或是零相序.

2023/7/2220中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的相序（2）RYB的相序(+Seq.)

基次分量

RYB

基次+120o0o-120o

二次+240o0o-240o

諧波-120o0o+120o

因而二次諧波作為負序分量運轉.

YRBYRB負序2023/7/2221中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的相序（3）RYB的相序(+Seq.)

基次分量

RYB

基次+120o0o-120o

三次+360o0o-360o

諧波+0o0o-0o

因而三次諧波作為零序分量運轉.

YRBRYB2023/7/2222中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的相序（4）諧波次序123456789相序+-0+-0+-0正序負序零序基次2次3次4次5次6次7次8次9次10次11次12次3n+1次3n+2次3n+3次被3除余1被3除余2可被3整除每一諧波的相序算法及排列：2023/7/2223中國礦業大學信電學院三、諧波：諧波的相序（4）各序諧波的特性及危害：正序

負序零序‘趨膚效應’引起過熱‘趨膚效應’引起過熱‘趨膚效應’引起過熱支持基波與基波對抗在中性點積聚中溫過熱產生零線發熱相對危害較少危害很多造成中性線接地和開路情況的原因2023/7/2224中國礦業大學信電學院三、諧波：對設備的的危害設備種類諧波影響變壓器由于趨膚效應增加銅損；諧波高頻增加鐵損；降低效率。電動機增加銅損，鐵損；脈動轉矩。電力電纜增加銅損，導致過熱。開關裝置，繼電保護誤動或據動。自動控制裝置操作不正常。電力電容器由于串聯或并聯諧振導致電容器過載。通信設備產生嚴重干擾。2023/7/2225中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：內容及目標使注入公用電網的諧波電流及公共連接點的諧波電壓在國標限值以內；提高用戶用電的功率因數；使電壓波動和閃變在國標限值以內；使電壓凹陷、凸起、短時中斷的幅值和持續時間在設備容許范圍內。使用戶設備在電磁兼容允許范圍內安全經濟運行，把對電網的干擾限制在國標限值以內。2023/7/2226中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：如下設備無源濾波器FC（手動/自動投切，調諧/非調諧）靜止型動態無功補償裝置SVC：TSC、TSC+TCR、FC+TCR、FC+MCR。靜止無功發生器SVG（又稱靜止同步補償器STATCOM）。有源濾波器APF2023/7/2227中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：無源濾波器FC主要器件：電容器+電抗器+電阻器（可選）投切方式：手動、自動功能：純補償（非調諧）、補償＋濾波（調諧）濾波原理：采用電力電容器串聯適當比例的電抗器，形成針對某一特定頻率的低阻抗濾波回路，吸收特定頻率的諧波電流，補償基波無功功率。適用場合：無功功率大、功率因數低、無功變化不頻繁，具有典型特征諧波（5，7，11，13次）的工業負荷。優點：結構簡單，造價低廉，適合大規模應用。缺點：響應時間長，兩次投切間隔通常要幾秒放電時間，不能補償動態無功；補償容量受到電網電壓的限制，電網電壓越低，輸出無功越小，而此時恰恰需要向電網輸出無功，以期抬高電網電壓水平；只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用；濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協調；投切產生涌流及過電壓會對系統會造成沖擊，補償精度低。2023/7/2228中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備:非調諧無源濾波器非調諧(Detuned)或諧波抑制濾波器：諧振頻率fR<最低主諧波頻率的90%；例如：fR=214Hz,小于5次諧波的90%.電抗系數12.5%或14%適用于3次諧波；電抗系數5.5%或7%適用于5、7次諧波。適用于：僅考慮無功補償，且諧波含量小的場所。參數選擇需要注意防止電容器諧波過載。接線原理圖2023/7/2229中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：調諧無源濾波器調諧(Tuned)或諧波吸收濾波器：諧振頻率fR在被吸收的諧波頻率的10%的范圍內；例如：fR=246Hz,吸收5次諧波。要濾除5、7、11次諧波分別采用5、7、11次濾波器。適用于：考慮無功補償同時需要進行諧波吸收的場所，一般諧波成份固定且無功變化不大。優點：濾波效果好；缺點：無功變化較大時，難以做到補償與諧波治理的完美結合。接線原理圖2023/7/2230中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：SVC-TSC主要器件：FC+TSC或FC+TSC+TCRTSC投切方式：晶閘管投切電容器，有晶閘管和二極管反并聯及兩個晶閘管反并聯兩種方式。冷卻方式：水冷、風冷。功能：投切振蕩和無沖擊投切，對三相不平衡負荷可以分相補償。分組補償電網感性無功，吸收電網中特定頻段諧波電流。優點：動態跟蹤無功變化，跟蹤速度可達5~10ms，不發生過補償、無缺點：控制復雜；晶閘管的冷卻系統必須帶電運行，水冷運行維護成本高，風冷效率低；自身產生的諧波不可忽視，諧波治理效果不理想；產生電磁輻射污染。TSC＋TCR補償器：以電容器作分級粗調，以電感作相控細調。2023/7/2231中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：SVC-TCR主要器件：FC+TCRFC+TCR投切方式：FC固定投切，可控硅調節相控電抗器投入比例。冷卻方式：水冷、風冷。功能：補償電網感性無功，FC吸收電網中特定頻段諧波電流，部分減小無功沖擊造成的電壓波動與閃變。優點：動態跟蹤無功變化，跟蹤速度可達20ms，不發生過補償、無投切振蕩和無沖擊投切。缺點：功耗大；占地面積大；晶閘管的冷卻系統必須帶電運行，水冷運行維護成本高，風冷效率低；自身產生的諧波不可忽視，諧波引起電感、電容發熱，導致絕緣老化，電容器參數變化及損壞；諧波在TCR與FC間流動增加損耗，降低效率；諧波引起電磁兼容問題－干擾周圍設備；諧波造成電磁污染、輻射－環保問題。2023/7/2232中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：SVC-TCR2023/7/2233中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：SVC-MCR主要器件：FC+MCRFC+MCR投切方式：FC固定投切，通過控制晶閘管的導通角來控制流過鐵芯的磁通，磁通的強弱直接決定了鐵芯的飽和程度，從而最終實現對電感值大小的控制。優點：MCR型可調電抗器的容量調節不需要大功率晶閘管閥組，占地面積小，結構簡單。采用磁控式，使整個SVC系統可靠性極高，20年免維護。缺點：MCR本體為油浸電抗器:這樣容易造成MCR的維修不方便，并且維護成本高;MCR運行噪聲大，對變電站的運行環境產生噪聲污染;MCR能耗大:MCR采用飽和電抗器技術，鐵芯損耗非常大。雖然現在的MCR改良以后采用部分鐵芯飽和技術，但是其能耗依然很大。就依靠目前先進的制造技術，MCR的能耗依然不低于2%.

四、電能質量的治理設備：SVC-MCRMCR型動態無功補償裝置的系統組成基于MCR的SVC裝置由MCR主體、勵磁系統、控制與監控系統等組成如下圖所示：四、電能質量的治理設備：SVG

靜止無功發生器(SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM).主要器件：斷路器、變壓器、逆變器、電容器。核心器件：IGBT功能：維持系統電壓恒定、諧波治理、抑制電壓閃變。。優點：可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補償無功功率的大小可以做到連續調節；不會引起諧振短路；可以吸納無功；精準電壓控制（該裝置除了可以按照功率因數或者無功功率控制之外，還可以按照電壓幅值來控制，確保用戶獲得的電壓的平穩性，降低電壓紋波）；受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振；且可以跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。缺點：目前僅在大容量區域變電所使用，造價高昂。適用場合：適用于大容量無功補償的樞紐變電站。2023/7/2236中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：APF主要器件：有源濾波器APF分類：電壓型和電流型；并聯型和串聯型。實用的為并聯電壓型。原理：利用PWM技術實現的電流發生器,它產生與負載無功(基波與諧波)電流大小相等、方向相反的電流，使注入電網的無功電流為零。功能：諧波治理＋無功補償＋抑制電壓驟降＋抑制閃變。優點：無需大容量電容器和電抗器，是一種動態的可控解決方案，可自動地適應網絡和負載的變化，不存在諧振問題，占地面積小。缺點：單機容量較小，不適合大容量補償，高壓應用幾乎沒有，系統造價高。。適用場合：功率因數高、配電系統復雜、諧波分量復雜的工業負荷。2023/7/2237中國礦業大學信電學院四、電能質量的治理設備：APF-MARS電能質量有源恢復系統MARS（MainsActiveRestoringSystem）是一種高壓有源濾波補償裝置。主要器件：斷路器、變壓器、MARS。原理：利用雙橋PWM技術實現的電流發生器，具備有源濾波器的所有優點，同時還能提供