电力系统谐波与无功补偿-4

电力系统谐波与无功补偿教研室：电机与电力电子教师：李亚斌电话：[phone]课件4－无功补偿电容器和LC滤波器4.1无功补偿电容器14.2LC滤波器4.1无功补偿电容器控制无功功率的方法：1）同步发电机－－调节发电机励磁（过励），电厂；2）同步电动机－－调节电动机励磁，大用户；正常励磁：功率因数为1,阻性。欠励：电动机功率因数滞后,感性。过励：功率因数超前,容性3）同步调相机，不带负载空载运行的同步电动机，枢纽变电所；欠励：相当于电感。过励：相当于电容一般都工作在过励状态，为电网提供感性无功。24.1无功补偿电容器控制无功功率的方法：4）并联电容器：装于变电所或负载处（就地补偿）；5）静止无功补偿装置：具有动态调节能力，性能好。大用户，枢纽变电站2并联电容器简单经济、方便灵活，应用广泛。4.1无功补偿电容器4.1.1并联电容器补偿无功功率的原理：222cosLLRRXXLUCIICIRLRLCRLIII投入电容器后IRLIRLRIRLwLU4.1无功补偿电容器4.1.1并联电容器补偿无功功率的原理：2IRLIRLRIRLwLUIICIRLIRLRIRLwLUIICIRLIRLRIRLwLUIIC欠补偿：功率因数滞后完全补偿：功率因数为1过补偿：功率因数超前过补偿会使节点电压升高，进而增大电容器本身损耗，不希望出现！4.1无功补偿电容器4.1.2并联电容器补偿无功功率的方式：2集中补偿：装于企业或总降压变电所（6～10kV），用来提高整个变电所的功率因数，减小高压线路的损耗。分组补偿：装在功率因数较低的终端变电所内，补偿范围较小，也叫分散补偿。就地补偿：将电容器直接装在需要补偿的感性无功设备附近，也称单独补偿。统筹考虑，合理布局，取得好的经济效益。4.1无功补偿电容器4.1.3并联电容器补偿容量的计算：21212(tantan)CavCCavCCQQQPorQPq0φ1φ2PQ2Q1avCP12Cq最大用功计算负荷（kW）月平均负载率（0.7～0.8）补偿前的功率因数角补偿后的功率因数角电容器补偿率kVar/kW4.1无功补偿电容器4.1.3并联电容器补偿容量的计算：23323/33103101/10VIAFCCCUQUIUCCUUC线电压（）电容器的线电流（）每相电容器的电容量（）星型连接4.1无功补偿电容器4.1.3并联电容器补偿容量的计算：2332333103101/310VIAFCCCUQUIUCCUUC线电压（）电容器的线电流（）每相电容器的电容量（）角型连接一般电力补偿电容器都采用三角型连接4.1无功补偿电容器4.1.4并联电容器的放电回路和自动投切2放电回路电容器断开后，为保证检修人员的安全，电容器需尽快放电，要求在30s之内，电容器端电压降到65V以下，因此需装设放电电阻（也可用电压互感器线圈放电）。自动投切电容器一般分为几组，根据运行情况自动投切。1）按母线电压高低；2）按无功功率的方向；3）按功率因数的大小；4）按负载电流的大小；5）按昼夜时间划分。4.1无功补偿电容器4.1.5并联电容器和谐波的相互影响2直接影响谐波电流使电容器有效值增大、发热，影响寿命。谐波电压使电压峰值增大、谐波电流增大，还可造成电容器内部局部击穿。电容器的补偿容量和电压的平方成正比。谐波放大电容器和网络或负载的电感谐振，将谐波电流放大，不仅威胁自身，而且严重威胁电网的正常运行。4.1无功补偿电容器4.1.5并联电容器和谐波的相互影响2容抗和感抗相等时，将发生并联谐振。谐波放大并联电容器后的谐波等效电路和等效阻抗。Zsn’CRsn=Xcn=Xc/nRsnXsn=XsnIsnIcnZsnsnZ'()cnsnsnsncnjXZRjXX4.1无功补偿电容器4.1.5并联电容器和谐波的相互影响snI()cnnsnsncnjXIRjXXcnI()snsnnsnsncnRjXIRjXX谐波电流源的电流大小和外阻抗无关当发生并联谐振时，谐振电流将会很大！谐振频率次数为：/csnXXsXcX基波感抗、容抗4.1无功补偿电容器4.1.5并联电容器和谐波的相互影响IsnIcnInIsnInIcnnXsXc/nnXL系统中谐波电流源的电流大小和外阻抗无关电容器串联电感：减小电流冲击；使谐振点偏离（变低）4.2LC滤波器4.2LC滤波器系统抑制谐波的方法：1）补偿：无源LC滤波器和有源滤波器APF；2）改造谐波源：增加整流相数；高功率因数整流器。4.2.1LC滤波器的结构和基本原理滤波电容、电抗器和电阻的适当组合。与谐波源并联，除滤波外还兼顾无功功率的补偿。分为：单调谐、高通、双调谐等几种。1）单调谐滤波器Rfn远小于系统的阻抗Zs，谐波电流绝大部分流入滤波器。fn1Z()fnssRjnLnCfnZ1n=fnsRLC4.2LC滤波器ω|Z|ω0RfnRLCs：基波角频率2）高通滤波器在高频段（很宽的频段范围内）呈现低阻抗特性。1n111Z()ssjnCRjnL4.2LC滤波器RLCRCRLC1C2RLCC21阶2阶3阶C型ω|Z|ω02阶高通阻抗特性R3）双调谐滤波器ω1|Z|ωC1R2C2双调谐阻抗特性R1L2R3ω2L1投资较小，但结构复杂，调谐困难，应用很少。4.2LC滤波器滤波器性能指标各次谐波电压含有率；电压总畸变率；注入电网的各次谐波电流值；经济指标（投资、运行费用等）4.2.2LC滤波器的设计注意事项L、C参数偏差、频率变化引起失谐；防止滤波器和电网阻抗发生并联谐振。4.2LC滤波器滤波装置的确定初次设计；计算滤波器之间的相互影响；考虑并联电容器（补偿无功）的影响，进一步修正滤波器的参数。滤波装置的构成根据实测的谐波数据、电网阻抗特性一对一设计；一般单调谐滤除5、7、11次等特征谐波，高通滤波器滤除13次以上的（截至频率设计在12次）；非特征次谐波按实际情况选择设计；按滤波要求设计滤波器，无功容量不够再加装并联电容器。4.2LC滤波器考虑单调谐滤波器的失谐4.2.3LC单调谐滤波器的设计00fn022fn1X=XQ=1=(+)21ZX(2)|Z|14rrfnnfnLCRfLCfLCjQRQ谐振时的感抗和容抗滤波器Q值（锐度）定义失谐偏差滤波器失谐阻抗失谐阻抗×谐波电流＝谐波电压4.2LC滤波器4.2.3LC单调谐滤波器的设计ω|Z|ωn2Z0Z0PBPBQQ滤波器通频带PB：在最大等效频率偏差δm范围内，Zfn的最大值与最小值之比为1.414.所对应的频率范围。nPBQ滤波器的Q值越高，其通频带越窄，对频率的偏差越敏感。4.2LC滤波器则4.2.3LC单调谐滤波器的设计最佳Q值的确定moptmcos+1Q=30~602sin滤波器的损耗和通频带PB、Q值关系密切，提高Q值（电阻小）将使损耗减小，但Q值太大，通频带又太窄，滤波器对参数偏差敏感，一般m系统的特征阻抗角，一般为±800~850左右4.2LC滤波器4.2.4LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法最小滤波电容安装容量1ssnLnC滤波器的电容安装容量越小，则滤波器的投资越小。2111211sssUnICUnLC滤波器除流过谐波电流In外，在基波电压U1的作用下还会流过基波电流I1：4.2LC滤波器调谐在n次谐振频率的单调谐滤波器有如下关系：4.2.4LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法22112222111112211111(1)nnnssssSQQIICnCnUnQUICUnCQn利用上2式化简得：4.2LC滤波器滤波器的安装容量Sn应为基波无功容量Q1和谐波无功容量Qn的和。2221112()(1)nnUInSQQnn取基准容量：1BnSUI标幺值：21211*(*)(1)*nnSQnnQ4.2.4LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法1*1/,*nQnS得出最下电容量：4.2LC滤波器当为最小，且2min2221minmin122*(1)(1)nsnSnnnQCUn以此电容为n次滤波器的选取电容基准，进而求取电感和电阻值。2min21(1)nsInCUnn4.2.4LC单调谐滤波器的最小滤波电容设计方法电感值为：4.2LC滤波器外加电阻值为计算值减去电感绕组的自身电阻。22min1sLnC电阻值为：soptnLRQ4.2.5高通滤波器的设计方法当频率很高时，Zn—R，实际上当频率高于一定频率后，滤波器在很宽的频率范围内都具有：4.2LC滤波器012fRC截止频率：||nZRRLCω|Z|ω02阶2阶高通阻抗特性R实现了高通滤波。Q值：0.7~1.4nRQLQ和单调谐滤波器Q值定义不同！4.2.6综合频率特性分析及滤波器的最后确定初步设计完后，必须通过系统谐波电压源和谐波电流源的校验。4.2LC滤波器~XsRsIn35711R滤波器高通Uk其他负载4.2.6综合频率特性分析及滤波器的最后确定谐波电流源单独作用，电压源等效为短路。4.2LC滤波器XsRsIn35711R滤波器高通*nnZIIZsZ根据各次谐波电流的大小和此时除电网阻抗Zs外总的并联等效阻抗Z，求注入电网的各次谐波电流值：fZ0357114.2.6综合频率特性分析及滤波器的最后确定谐波电流源单独作用，电压源等效为短路。4.2LC滤波器XsRsIn35711R滤波器高通fZ’035711*'nnUZI根据各次谐波电流的大小和此时总的等效阻抗，求得各次的谐波电压：4.2.6综合频率特性分析及滤波器的最后确定谐波电压源单独作用，电流源等效为开路。4.2LC滤波器XsRsIn35711R滤波器高通~UnfZ035711Z+Zs**nnsZUUZZ根据各次谐波电压的大小和此时总的等效阻抗，求得各次的谐波电压在母线上的分压值：4.2.6综合频率特性分析及滤波器的最后确定求出总的电压畸变和流入电网的谐波电流和规定值比较，看是否符合要求，不符合要继续修改：调整谐振点或各次滤波器的Q值。一般经过3次修改可满足要求。4.2LC滤波器4.3LC滤波器仿真1）电网电压10.5kv，电源内阻抗R＝0.8欧，L＝16毫亨。2）线路阻抗R//L，R＝12欧，L＝20毫亨。3）变压器：S＝1000KVA，10/0.4KV，1次角接，二次星接，4）整流器采用三相全控晶闸管整流桥，直流电感50毫亨，负载电阻1欧。5）整流器触发角为60度6）无源滤波器设计为5次、7次、11次（Q选择为60），二阶高通滤波器（Q选为1）。7）要求功率因数大于0.85。简单例子4.3LC滤波器仿真4.3LC滤波器仿真High-passdampedfilterTunedfiltersCapacitorbancs3C2B1AABCABCQ=20ABCABCCABCABCABCABC7thQ=50ABCABC5thQ=50ABCABC11thQ=504.3LC滤波器仿真0200400600800100000.20.40.60.81ImpedanceImpedance(ohms)Frequency(Hz)02004006008001000-100-50050100PhasePhase(deg)Frequency(Hz)4.3LC滤波器仿真4.3LC滤波器仿真024681012141618-300-250-200-150-100-50050100150OrderofHarmonicMagnitudebasedonBasePeak-ParameterPeakMagnitudeSpectrumcalledbySimulink