无功补偿在电力系统中的应用.docx
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无功补偿在电力系统中的应用
本科生毕业论文（设计）
题目无功补偿在低压配电网中的应用研究
学院电气信息学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名
指导教师教授
教务处制表
二Ο一四年五月三十日
无功补偿在低压配电网中的应用研究
电气工程及其自动化
摘要：
近年来，随着电网系统的完善，用电规模的进一步扩大，使得电力的供需矛盾越来越突出。
电力的供应紧张使人们想到了降损节能。
人们从电力在线路中的传输特点，利用无功电流在系统中消耗有功功率的特点，使用了无功补偿装置。
电力系统使用无功补偿，可以提高电网的质量，降低网损，达到节能的目的。
现系统地介绍了低压无功补偿技术，并具体分析各个部件的选型和成套装置的技术，并对其所带来的经济效益进行分析计算。
关键词：
无功补偿节能功率因数
Applicationofreactivepowercompensationinlowvoltagedistributionnetwork
Electricalengineeringandautomation
Abstract:
Inrecentyears,withfurtherimprovementinpowernet,expandinguseofelectricity,makingpowersupplyanddemandwillbecomesharp.Shortofpowersupplyforcepeopletowanttoenergyconservation.Withtheoperatingcharacteristicsofpowernet,consumptionactivepowerforreactivecurrent,reactivepowercompensationwasused.Withreactivecompensation,thatcanimprovethepowerquality,reducenetworkloss,saveenergy.Thereactivepowercompensationoflowvoltagetechnologyandequipmentswereintroducedsystematically.Studyandresearchwereworkedontheissuesofthereactivepowercompensationcurrentlyanditseconomicbenefitswasanalyzedandcalculated.
Keyword:
reactivepowercompensation,saveenergy,powerfactor
目录
第一章电力系统电能质量概述1
第二章国家相关政策2
2.1电能质量相关标准2
2.1.1电能质量标准体系2
2.1.2电能质量相关国家标准2
2.2电能质量相关法律规定3
2.3电能质量技术标准的现状及发展4
2.3.1IEC电能质量标准4
2.3.2美国IEEE电能质量标准4
2.3.3我国电能质量标准制修订概况5
第三章无功补偿和谐波治理的意义6
3.1无功补偿的基本原理6
3.2无功补偿的分类7
3.3谐波治理基本原理与方法8
3.3.1谐波问题的研究现状8
3.3.2配电网谐波治理的对策9
3.4无功补偿与谐波治理的意义10
3.5无功补偿和谐波治理的发展趋势11
3.5.1无功补偿的发展趋势12
3.5.2谐波治理技术的发展历史12
3.5.3国内谐波治理技术的发展13
第四章相关名词解释16
4.1电能质量16
4.2功率因数16
4.3三相负载不平衡17
4.4非线性负载18
4.5谐波18
4.6间谐波19
4.7无功补偿19
第五章工况描述21
5.1某科技材料有限公司项目概况21
第六章测试数据22
6.13196电源品质分析仪22
6.1.13196电源品质分析仪概述22
6.1.23196电源品质分析仪的特点22
6.2测试数据23
6.2.1原始数据记录23
6.2.2原始数据分析30
第七章无功补偿设计方案31
7.1无功补偿容量的确定31
7.2无功安装容量的确定31
7.3电抗器的选择32
第八章分组和设备选型33
8.1无功补偿分组33
8.1.1确定电容器的分组33
8.1.2电容器的接线类型33
8.2设备的选型34
8.2.1自愈式低压电容器35
8.2.2串联电抗器35
8.2.3无功控制器36
8.2.3电容器投切装置37
第九章无功补偿装置图40
9.1结构图40
9.2一次图41
第十章无功补偿经济效益分析42
10.1力调电费42
10.2电费奖励42
10.3节能效益43
第十一章结论44
参考文献45
致谢46
第一章电力系统电能质量概述
随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。
这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。
电力系统的互联和远距离、大容量输电已成为电力工业发展的重要趋势。
跨区域的长距离集中送电的交流输电通道或交直流并联输电通道越来越多，大事故扰动下电网的动态无功支持能力不仅成为互联电网送电能力的重要约束，而且能够影响到联网系统的电压稳定水平和电压安全裕度。
提高电网的安全稳定水平，提升现有电网的输电能力，最大限度地发挥输电线路是电网发展面临的重要问题。
电能质量（powerquality）定义：
关系到供电、用电系统及其设备正常工作（或运行）的电压、电流的各种指标偏离规定范围的程度。
电能质量即电力系统中电能的质量。
理想的电能应该是完美对称的正弦波。
一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。
一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上使电能接近正弦波。
电能质量（PowerQuality），从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。
从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。
其可以定义为：
导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。
目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题难以解决或达成共识。
其中较为突出的问题有：
电能质量的定义及以此为基础的电能质量等级的划分；对各瞬变量的实时检测及有效补偿；为改进电能质量问题，电站、用户及装置生产厂家之间的合作与协调；合理的电能质量评估体系的建立等。
为解决这些难题，科研工作者通过不懈的努力，对一些问题提出了独到的见解，研制出一些新型试验装置。
日本、美国、德国等发达国家投入运行的试验装置已取得了预期的效果。
第二章国家相关政策
2.1电能质量相关标准
2.1.1电能质量标准体系
1、GB/T12325-2008 电能质量供电电压偏差
2、GB/T15945-2008 电能质量电力系统频率偏差
3、GB/T15543-2008 电能质量三相电压不平衡度
4、GB/T12326-2008 电能质量电压波动和闪变
5、GB/T14549-1993 电能质量公用电网谐波
6、GB/T24337-2009 电能质量公用电网间谐波
7、GB/T19862-2005 电能质量电能质量监测设备通用要求
8、DL/T1053-2007电能质量技术监督规程
9、GB/T19862-2005电能质量监测设备通用要求
10、GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压
11、电综[1998]211号电网电能质量技术监督管理规定
2.1.2电能质量相关国家标准
1、供电电压允许偏差
《电能质量供电电压允许偏差》（GB12325-90），规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：
（1）35KV及以上正、负偏差的绝对值之和不超过10%；
（2）10KV及以下允许偏差不超过±7%；
（3）220V单相供电允许偏差为+7%～-10%。
2、电力系统频率允许偏差
《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB/T15945-1995），规定：
电力系统频率偏差允许值为±0.2Hz。
实际运行中，我国各跨省电力系统频率偏差都保持在+0.1Hz～-0.1Hz的范围内。
3、公用电网谐波
《电能质量公用电网谐波》（GB14549-93），规定各电压等级的谐波畸变率允许限值。
表2-1各电压等级的谐波畸变率允许限值
电网标称电压kV
电压总谐波畸变率%
各次谐波电压含有率，%
奇次
偶次
0.38
5.0
4.0
2.0
6
4.0
3.2
1.6
10
35
3.0
2.4
1.2
66
110
2.0
1.6
0.8
标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（2～25次）注入的允许值；当最小短路容量不同于基准短路容量时，允许值应进行换算。
并且规定：
每个用户向电网注入的谐波电流允许值，按此用户协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比，进行分配。
4、电压波动和闪变
电压波动，闪变，即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。
《电能质量电压波动和闪变》（GB12326-2000），适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合。
标准规定了各级电压短时间闪变值和长时间闪变值的限值。
用户闪变限值，应按协议用电容量占供电容量的比例，以及系统电压公给处理。
5、三相电压允许不平衡度
《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/15543-2008），适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压不平衡。
该标准规定：
电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。
每个用户不得超过1.3%，短时间不得超过2.6%。
2.2电能质量相关法律规定
1、《中华人民共和国电力法》
第二十八条供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准。
对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理。
2、《电力供应与使用条例》
第十九条用户受电端的供电质量应当符合国家标准或者电力行业标准。
3、《用电检查管理办法》
第四条供电企业应按照本规定对本供电营业区的用户进行用电检查，用户应当接受检查，并为供电企业的用电检查提供方便。
用电检查的内容有：
……
十．受电端电能质量状况：
……
第五条……检查的范围可延伸至目标所在处：
……
五．有影响电能质量的用电设备：
……
4、《供电营业规则》
第三十九条……高压供电的用户应提供……
4、影响电能质量的用电设备清单……
第四十一条……100千伏安及以上高压供电的用户的功率因数为0.90以上……
第五十五条电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549-93的规定。
应户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行注入电网的谐波电流和引起公共连接点电压正弦波畸变率超过标准时，用户必须采取措施予以消除。
否则，供电企业可中止对其供电。
2.3电能质量技术标准的现状及发展
电能质量关系到电力系统及其电气设备的安全和效率，关系到节能降耗、生产和生活，以及国民经济的总体效益。
实施对电能质量的科学监管是建设节约型社会的重要条件之一。
电能质量标准是保障电能质量的基本技术依据。
2000年以来，为适应电网的发展和电力市场的变化，国内外均加快了对电能质量标准的制订和修订步伐。
2.3.1IEC电能质量标准
为了统一各国电气设备或系统的电磁环境，以促进电气和电子技术领域有关标准的国际化，IEC于1973年建立了第77技术委员会（IEC/TC77），主要研究“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。
IEC/TC77下设三个分技术委员会，即IEC/SC77A（低频现象）、IEC/SC77B（高频现象）、IEC/SC77C（瞬时高能现象）。
IEC对低频和高频的划分界线是9kHz，即高于9kHz为“高频”，9kHz及以下为“低频”。
显然，在电力系统中，主要涉及低频和高频传导电磁现象。
IEC/TC77的工作成果以IEC61000系列电磁兼容（EMC）标准文件出版，EMC的范围既有低频也有高频，既包括传导性也包括空间电磁场干扰，该系列标准，目前包括7个部分，每个部分又可分若干项，以国际标准或技术报告形式出版。
技术报告（TR）按其内容标明类型，共分三类，性质上有所不同。
2.3.2美国IEEE电能质量标准
美国的国家标准主要由IEEE制定。
IEEE在国际上是一个非常有影响的组织，每年组织举办300次左右的技术交流会。
至今，全世界约30%的技术文献出自IEEE。
IEEE已制定了900多项标准，另外还有700项左右的标准正在制定中。
IEEE电能质量分委会成立于2002年，下设多个工作组，分别负责谐波、电压质量、电能质量监测、电能质量分析和治理措施，以及电能质量教育等标准化工作。
在此之前，美国已制定了不少电能质量方面的标准。
美国对电能质量领域标准化的工作起步较早，涉及面较广，和IEC61000标准相比，虽然系统性方面欠缺一些，但内容上有一定的互补性，表现在:
①针对敏感负荷供电，已发布多项标准；②对于电能质量测量给予相当的关注；③对谐波标准补充了实施导则；④对于电能质量改善措施，制定了不少规程和导则；⑤涉及电能质量术语、分析和关键的理论问题也制定了一些导则或标准。
如上分析，从应用角度，美国IEEE标准提供了不少电能质量方面的实用技术和相关准则，是很有参考价值的。
但美国标准不如IEC标准规范，内容较庞杂。
2.3.3我国电能质量标准制修订概况
从上世纪80年代开始,改革开放促进了我国经济快速发展,电网负荷结构发生了很大的变化。
随之，电能质量问题渐显突出，国家标准主管部门将制定电能质量系列标准列为重点项目之一，同时大量引进以IEC61000系列为主的先进国际标准。
第三章无功补偿和谐波治理的意义
3.1无功补偿的基本原理
电网输出的功率包括两部分，有功功率和无功功率。
直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学或声能等的电功率，称为有功功率。
不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能是电气设备能够做功的必要条件。
这种能作为电网中与电能进行周期性转换，这叫无功功率。
电流在电感元件中做功过过程中，电流超前电压90度。
电流在电容元件中做功时，电流滞后电压90度。
在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反。
所以，如果在电磁元件装上相应比例的电容元件，使两都的电流相互批评消，使电流和电压的矢量夹角减小，从而提高了电流做功的能力，使有功功率增加。
如图并联补偿电路，电路中的总电流I∑值为负荷电流IL与通过电容器电流IC的矢量和。
加在负荷与电容器上的外加电压U是相同的，其公式如下：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
其矢量关系见图3.1。
图3.1并联补偿线电路的矢量图
从矢量图中可以看到，在并联补偿前电压与电流间的夹角为φL,即它的功率因数的夹角等于cosφL;经过并联补偿后，夹角减小为φ，即它的功率因数从cosφL提高到cosφ。
3.2无功补偿的分类
无功补偿的方式包括：
变电站集中补偿、配变低压补偿、线路补偿、用电设备就地补偿。
如图3.2所示：
图3.2无功补偿示意图
1．变电站集中补偿
变电站集中补偿装置包括并联电容器、静止补偿装置等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。
为实现变电站的电压/无功综合控制，通常采用并联电容器组和有载调压抽头协调调节。
变电站集中补偿主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所上级输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗，但不能降低配电网络的无功损耗。
在电网中，配电网的线损占全网总线损的70%左右，只有在配电网中进行分散补偿才能有效地降低线损。
2．配变低压补偿
配变低压补偿，也称随器补偿，就是将补偿装置直接连接在配电变压器上，以补偿配电变压器的无功负荷。
由于用户的日负荷变化大，配变低压补偿通常采用微机控制，跟踪负荷波动，分组投切电容器。
配变低压补偿接线简单、安装维护管理方便，经济性较高，降损节能效果好，是配网中具有推广应用价值的补偿方式。
3．线路补偿
配电变压器本身要消耗无功，而且很多公用变压器又由于种种原因没有安装低压补偿装置补偿负荷无功，从而造成很大的无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功沿线路传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿。
线路补偿是指把一定容量的高压并联电容器分散安装在供电距离远、负荷重、功率因数低的配电线路上，主要补偿线路上感性电抗所消耗的无功功率和配电变压器励磁无功功率损耗，还可提高线路末端电压。
线路补偿具有投资小、回收快等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。
4．用电设备就地补偿
在配电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30％左右，用电设备消耗占65％以上。
对用电设备实施就地无功补偿十分必要。
理论计算和实践都证明，用电设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。
用电设备就地补偿是对用电设备所需无功实施就近补偿，把电容器直接接到用电设备的同一个电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开。
这种补偿方法的效果最好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使电压质量得到保证。
3.3谐波治理基本原理与方法
3.3.1谐波问题的研究现状
谐波的概念起源于声学,而电力系统中的谐波是在20世纪20年代引起人们的关注,是在使用静止汞弧变流器时产生了电压、电流波形的畸变。
1945年,J.C.Read最早论述了有关变流器中的谐波问题,指出电网中的谐波可分为电压谐波与电流谐波。
从频域角度看,电网谐波是指供电电网的电压或者电流中出现的一系列频率为基波频率整数倍的正弦分量,当电流谐波流经电网阻抗元件1971年,Hsasaki和TMachida首次提出了有源电力滤波器构想,其基本工作原理可以描述为向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等。
相位相反的电流,从而抵消电网中的谐波电流,这一构想经历了有源滤波器理论分析,原始模型,实验研究,最终走上实用化的道路。
到了1976年,L伪ugyi和ECStycula进一步提出了采用PWM逆变器构造新型的有源电力滤波器,经过20多年的发展,PWM技术的逐步成熟以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,都极大地促进了有源滤波技术的发展。
与无源滤波器相比,其具有高度可控性和快速响应性,有一机多能特点,且可消除与系统阻抗发生谐振的危险,也可自动
跟踪补偿变化的谐波"有源滤波的缺点是容量小,价格高等。
无源滤波器与有源滤波器结合使用,是目前最为理想的一种谐波抑制措施。
国际标准IEC6100明确规定了不同设备级别的谐波限制"北美!
欧洲等发达地区目前已形成了较为完善的电能质量标准体系!
监测网络和分析管理体系,其中包括谐波管理。
在日本,有源电力滤波器的使用已很普遍,并联型有源电力滤波器的最大容量已达500MVA,用于抑制电弧炉引起的电压闪变。
西门子公司已生产出一系列改善电能质量的电能质量调节器装置（SIPCON）,其换流器采取基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的脉宽调制技术（PWM）,有利于并联型有源滤波器和串联型有源滤波器进行组合。
这样滤波器与系统联接就有3种方式:
并联运行时,主要防止非正常负荷产生的谐波、无功、负荷不平衡及闪变对系统的影响;串联运行时,主要用于防止系统电压突变!
电压畸变或不对称负荷的影响;串并联运行时,具有双向补偿的功能,这种具有双向补偿功能的有源滤波设备是目前同类装置中较有代表性的产品。
在有源电力滤波器的研究和产品开发方面,我国还处于起步阶段,主要以并联型、混合型为主,也有研究串联型滤波设备的南方电网已经安装了几十套无源滤波兼无功补偿装置,收到了良好的效果。
清华大学研制的我国第一台高压、大容量电能质量控制器（ASCG）已经正式投入运行。
西安交通大学已研制成功120kVA并联型有源滤波器试验样机,理论上和实验室内均取得很大的进展,但现场实际应用和可靠的运行尚需进一步研究。
3.3.2配电网谐波治理的对策
关于谐波的治理目前主要有三种方法:
受端治理、主动治理、被动治理。
1.受端治理
所谓受端治理,是指从收到谐波影响的设备或系统出发,提高它们的抗谐波干扰的能力。
常用的治理方法主要有以下几点:
（1）选择合理的供电方式，将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响,这必须在电网规划或设计阶段考虑。
（2）避免电容器对谐波的放大，改变电容器的串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,或限定电容器组的投入容量,可以有效的减小电容器对谐波的放大并保证电容器组安全运行。
（3）提高设备抗谐波干扰能力，改进设备性能,使其在谐波环境中能够正常工作,当然这是有一定限度的,谐波较大时设备仍将受到严重影响。
（4）改善谐波保护性能，对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置,这能够保证在谐波超标情况下,设备不至于损坏,但不能保障设备的正常工作。
2．主动治理
所谓主动治理,是指从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。
常用的治理方法主要有以下几点:
（1）增加变流装置的相数或脉冲数，改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器,可以有效减小谐波含量,其中包括多脉整流和准多脉整流技术,但是装置更加复杂。
（2）改变谐波源的配置或工作方式，具有谐波互补性的装置应集中,否则应适当分散或交替使用,适当限制会大量产生谐波的工作方式。
（3）采用多重化技术，将多个变流器联合起来使用,用多重化技术将多个方波叠加,以消除频率较低的谐波,得到接近正弦波的阶梯波,但装置复杂,成本较高。
（4）谐波叠加注入，利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源,把谐波电流加到产生的矩形波形上,可用于降低给定的运行点处的某些谐波缺点。
（5）采用脉宽调制技术，采用该技术是使得变流器产生的谐波频率较高，幅值较小,波形接近正弦波,但只适用于自关断器件构成的变流器,如IGBT、IGCT等。
（6）设计或采用高功率因数变流器，比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等,可以使变流器产生的谐波非常少,且功率因数可控制为1。
3．被动治理
所谓被动治理,是指通过外加滤波器来阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
常用的治理方法主要有以下几点:
（l）采用无源滤波器（PaSSivePowerFilter,PPF）：
在谐波源附近或公用电网节点装设单调及高通滤波器,可
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