无功补偿及滤波技术.docx
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无功补偿及滤波技术
1概述
在公用电网和企业电网中,无功电流是不希望出现的现象。
无功电流会加重发电机、输电线路和变压器的负荷,产生损耗,影响输配电系统的经济性。
所有接于单相和三相交流电网,并按电磁感应原理工作的电器设备在建立磁场时需要磁化电流。
磁化电流(也称为无功电流)滞后电网电压约90°,不参与能量转换。
典型的无功负载为:
●异步电动机
●变压器
●放电灯
●裸导线
●调节运行的变流器
对于变流器可分为:
●换向无功功率:
由换向回路电感和负载电流引起。
●控制无功功率:
在采用相切控制时,由变流器输出电压和负载电流产生。
●畸变无功功率
由电网中的非正弦电流产生。
变流器的网侧电流中含有基波(50Hz)分量和谐波(频率为基波频率的整数倍)分量。
输出容性无功电流的设备可以对吸收感性无功电流的设备进行补偿,例如:
●并联电容器
●电缆
●过激磁的同步电机
●空载运行的高压输电线
因为容性无功电流也会增加输电系统的负荷并产生损耗,所以对感性负载采取就近补偿效果更好。
在最佳补偿情况下,电网只输送有功功率,使电网的输电能力得到提高,见图1。
为了保证电网的输电经济性,我国《全国供用电准则》规定了各级各类电力用户应达到的功率因数值,有关部门制定了功率因数奖惩细则。
因为同步电机的使用场合有限,所以提高功率因数通常采用并联电容器方式。
图1 在有功功率为常数时,视在功率S和损耗功率Pv与功率因数的关系参考值1对应cosφ=1,p.u=单位值。
2无功功率的效应
各种负载均会使输电系统产生损耗,导致电压矢量在长线和纵向方向的降落,其中长线压最有意义,他由组性分量和感性分量组成。
3电网中不含谐波情况下的无功补偿
3.1单独补偿
单独补偿主要用于长时间运行的大功率负载,补偿电容器直接和负载并联,与负载同时投入或切除,感性和容性电流互相补偿的路径最短。
单独补偿时电容器可以不用开关或熔断器,连接导线截面按短路电流选取,以减少费用。
在对异步电机进行补偿时,补偿容器不得大于电机的空载无功功率,以避免空载时出现过补偿和防止电机停止运行后发生自激。
从安全角度考虑,补偿功率不应超过电机空载无功功率的90%。
变压器的单独补偿
许多情况下需要在变压器的副边设置固定补偿,此时变压器和补偿电容形成一个相对于上级电网的串联谐振回路,见图3.如果上级电网接有谐波源负荷(晶闸管变流器),则根据谐振频率及电网谐波次数,可能有较大的谐波电流流过变压器和补偿电容组成的谐振回路,会造成变压器特别是电容器的过负荷,同时低压侧电压波形发生畸变。
当电网中接有音频控制系统时,变压器和补偿电容的串联谐振频率不得与控制频率接近,否则会将控制信号短路。
3.2集中补偿
集中补偿主要用于减少甚至抵消上级电网向本级电网的无功传输,通常采取调节运行方式,无功控制器将功率因数的实际值与给定值进行比较,然后发出指令,控制电容器支路的投切。
低压无功补偿装置的额定电压分为400V、525V和660V三种,电容器支路数可以根据用户需要确定,通常为8支路或12支路,并具有不同的容量组合,以适应民用及工业要求。
补偿装置采用GGD或PGL标准壳体,也可以作成抽屉单元式,便于与低压配电设备并屏,连接方式有母线式和电缆式两种,电缆式适用于单独安装或与特定设备配套。
屏内装有无功控制器、电容器、串联电抗器、开关及接触器、保护装置等,根据快速调节的需要还装有放电线圈。
每个标准屏可以安装500kvar的电容器。
集中补偿也可用于高压电网(6或10kv),其优点是覆盖范围大,可以保证整个系统的功率因数值,但是这种方式也有缺点,主要表现在无功功率需要较长距离的传输,另外高压接触器需满足频繁操作的要求,采用真空接触器可以比较好的解决这个问题,深圳波宏电力滤波设备有限公司开发的高压调节式无功补偿装置,采用组装式结构,可以应用于所有用电场合。
4电网中含有谐波情况下的无功补偿
4.1对原有变流器负荷的补偿
当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时,不能将补偿电容器直接接于电网,因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路(见图5),谐振频率为:
在对谐振频率进行估算时,可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量QC1计算:
见图6。
从图7可见,在5次谐波频率下电网具有谐振,并联阻抗XP大大升高,由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后,会产生很高的谐波电压,谐波电压叠加在基波电压上,导致电压波形发生畸变。
在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍,即谐波放大,此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷,特别是电容器,长期运行于过负荷状态,加速绝缘老化,甚至击穿爆炸。
可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联揩振频率,调整电容器容量配置,使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离,避免谐波放大。
但是实际的电网阻抗不为常数,而时处于不断变化之中,很难完全避开谐振,特别当电容器分组调节运行时,情况更为复杂。
当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时,必须采取技术措施,将并联谐振点移到安全位置,而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。
4.2电容器回路串电抗
电容器串电抗后形成一个串联揩振回路,在谐振频率下呈现很低的阻抗(理论上为0),如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致,则成为纯滤波回路,如果只吸收少量谐波,则称为失谐滤波回路。
失谐滤波回路
失谐滤波回路的主要用途是防止谐波放大,滤波效果不大,回路传串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率,即设定为基波频率的3.8~4.2倍。
工程计算公式为:
电抗器电抗XL=电容器容抗XC的百分比(X%)
或者:
电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比(X%)
电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6~7%。
在选择x=6%时,谐振次数为vr=4.08。
失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波,谐波源产生的谐波的大部分流入电网,电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。
纯滤波回路
纯滤波回路的主要用途是吸收谐波,同时补偿基波无功。
从图8可见,在串联谐振状态下,滤波回路的合成阻抗XS接近于0,因此可对相关谐波形成“短路”。
在谐振频率以下滤波回路呈容性,因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。
在谐振频率以上滤波回路呈感性。
由于滤波回路在谐振点以下呈容性,所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路(见图9)。
如果在这个频率范围内没有特征谐波,则并联谐振对电网不会产生危害。
设计滤波回路时,应从最低次谐波开始,例如对于6脉动桥式变流器的谐波,应从5次谐波开始设置滤波回路。
多个滤波回路的并联谐振频率见图10。
4.3与电网的并联谐振
滤波回路和电网的并联谐振点按下式计算:
式中:
并联谐振次数
滤波回路谐振次数
基波补偿容量
电网短路功率
基波角频率(=2)
滤波电抗的电感(相)
电网电抗(相)
滤波电容器的容抗(相)
注意:
当电容器采用Y形接线时,上式中的C为一相值。
如果用Δ形接线,则
滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96~98%,以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变.滤波回路除了输出基波无功功率外,还要承受谐波负荷.多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。
4.4滤波回路的无功功率调节
由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波,所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性,只能对各个回路进行投切,投入的顺序为从低次到高次,切除的顺序为从高次到低次。
对于容量较大的补偿滤波装置,可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法,即纯滤波回路固定运行,补偿基本负荷,失谐滤波回路作为调节运行。
对于低压谐波装置,也可以采取多个同次滤波回路并联的方法,但需注意以下两点:
a)失谐滤波回路可以并联运行,用于对滤波效果没有严格要求的场所。
b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。
在谐振频率下回路阻抗理论上为0,但实际上电流不可能在两个支路间平均分配,其主要原因:
—由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响,导致各支路阻抗不为0,并且互有差异。
—电感和电容的调谐精度的限制。
不可能将两个支路的参数调的完全一样。
如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性,另一个呈容性,则会产生并联谐振,使谐波放大。
如果经过经济技术比较需要采用并联方式,可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性,即ωr 如果既要吸收谐波,又要保持调节的灵活性,可以采用并联支路的方式,即若干个同次滤波回路同时接入电网,各支路的电容同时并联,形成一个总的滤波回路,调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。 这种方式不会出现支路间的并联谐振,同时提高了滤波效果(见图12)。 除了对电容器分组调节以外,对于负载波动频繁的场合,采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。 深圳波宏电力滤波设备有限公司开发的DWK型动态无功补偿装置补偿精度高,设定值可调,跟随速度一个电网周波,可以大大改善电网电压质量。 4.5滤波回路的选择 选择滤波回路有以下两个原则: a)主要用于吸收谐波,降低电网电压畸变,基波无功补偿居次要位置。 b)提高电网功率因数,同时吸收谐波,电容器容量按无功补偿的要求配置。 对于情况a)可以考虑采用最佳滤波器,即基波无功功率等于谐波功率,电容器安装容量最小(见图16)。 可见纯滤波器回路中电容器端电压很高,其滤波效果主要取决于调节准确度。 对于情况b)电容器容量根据基波补偿的需要确定,图16中最佳点的右侧部分。 输出到电网中的基波无功功率为总基波无功功率减去串联电抗的无功功率。 4.6滤波回路的效应 在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻,因此会产生损耗。 滤波回路的合成阻抗按下式计算: 图17原理图中忽略了所有其他负载,包括电缆电容,但并不影响计算准确度。 从图18可见,电容器容量越小,谐振曲线越陡,一旦失谐,会有大量谐波电流进入电网。 电容器容量越大,滤波效果也越好。 图19表示品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化,在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下,品质因数越高,滤波效果越好。 考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件,品质因数一般在30~80之间。 图18和图19表示的谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态,在谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中,谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡,滤波器回路电阻越大(品质因数越小),则震荡时间越短,但滤波效果要降低。 对于频繁变化的谐波源负载,在过度过程期间,电网要承受较大的谐波电流。 4.7滤波器的容量分配 如果需要在一个电网上同时连接多个针对不同谐波频率的滤波器,则滤波电容器容量随着谐波频率的升高而减少,在将总电容器功率分配到各个滤波器中时,适用于下式: 以上只是就单调谐滤波器而言,对于高通滤波器,需要根据各次谐波电流合成值确定电容器容量。 5变流器对电网的影响及抑制措施 影响 技术措施 无功功率 (控制的换向无功功率) *电容器串电抗,vr<p-1 *>2MW的变流器采取顺控方法 无功冲击 (15min平均值) *电容器串电抗,vr<p-1, 分组投切,仅适用于低压 闪变 (<30Hz的电压改变) *采用动态无功补偿装置 *提高电网短路功率 *改变负载变化周期 谐波电压畸变 *设置滤波回路,vr≤k×p±1 *>2MW采用高脉动变流电路 *提高电网短路功率 一个典型的电网结线图见21图,图中的晶闸管变流器传动装置可以看作谐波源。 电网等效图22。 6电网分析与计算 设计补偿装置和滤波回路时,除了计算选择元器件参数外,还需要进行电网分析,模拟出设备投入后预期的效果,深圳波宏电力滤波设备有限公司编制了专用计算机程序AACP,可以准确地计算出电网的临界条件及频率阻抗变化过程,对电网及滤波装置的安全运行提供了可靠依据。
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