无功补偿及电能质量

电能质量及无功补偿2011.12一、电能质量1.电能质量问题的提出电能是一种特殊的商品,既具有以商品形式向用户出售的性质,又具有为千百万用户服务的公用事业性质。由于电能的供应带有一定的垄断性（特别是国内）,电力用户往往在使用电力企业所供的电能时,对其质量的波动或不良情况也无可奈何。故早期制订的常规电能标准,其要求不够严格,相当长时间内没有重大改进。用户与电力企业之间矛盾不断发生20世纪后半世纪,世界科技发展速度加快,特别是信息产业的突飞猛进，传统的电能质量标准已无法适应用户需要,迫使电力企业和有关学术组织不得不对电能质量标准作出较大的修订补充，从而全面关注电能质量的分析和控制问题。IBM的研究结果电能质量问题是造成数据丢失的最大原因！芯片测试当电压低于85％时，测试仪停止工作，芯片、主板可能被毁；PLC早期的产品，当电压低于10％时，仍能持续工作15个周波(可编程控制器)新版产品，当电压低于(50～60)％时，PLC停止工作；而2年后资料表明，当电压低于81％时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90％、持续时间仅几个周波，就会被切除。机器人由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90％，当电压低于此值、持续时间超过2～3个周波时，被跳闸。直流马达当电压低于80％时，直流电机被跳闸。变频调速当电压低于70％，持续时间超过6个周波时，VSD被切除。而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90％、持续时间超过3个周波时，电机就会被跳闸而退出运行。马达研究表明：当电压低于50％～70％、持续时间超过1个周波，接接触器触器就会脱扣。计算机当电压低于60％，持续时间超过12个周波时，计算工作将到影响，如数据丢失。电压跌落对一些设备的危害我国电网电能质量问题更大•故障率与供电可靠性差–据1995年203个供电局/电业局统计，平均供电可靠率仅为99.075%；•电压波动大。我国部分城网电压合格率仅为82%~86%；•供电网谐波污染严重。变流电源、家用电器、冶金、化工企业大型冲击电源、电气化牵引设备等都是主要的谐波源，造成电压波形畸变、电压波动、闪变和三相不平衡。电力系统的组成和特点原动机发电机升压变压器降压变压器配电变压器输电线路110-500kV各类用户功率平衡•有功功率平衡(主要影响系统频率水平)•无功功率平衡(主要影响系统电压水平)2.电能质量问题的分类各种干扰：负荷变化；运行操作；故障；雷击2.电能质量问题的分类•电压质量问题：•闪变•瞬时过电压、跌落•谐波、畸变•各相电压不平衡•电流质量问题：•电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸•电流入电网的谐波电流•无功、不平衡负荷电流•低频负荷变化造成的闪烁等2.电能质量问题的分类•稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、次谐波、波形下陷以及噪声等；•动态电能质量问题通常以频谱和暂态持续时间为特征，分脉冲暂态和振荡暂态两大类。–主要体现为电压质量问题–电压跌落占其中很大的比例几种动态电压质量问题的示意图波形3.电能质量的基本定义PowerQuality——电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都适合于该设备正常工作的。在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准技术参数来评价。电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。实际上电能质量就是供电电压特性，即关系到用电设备工作（或运行）的供电电压各种指标偏离理想值（额定值或标称值）的程度。例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失。3.国外对电能质量的认识针对电能质量问题，美国电科院（EPRI）提出一个分三步走的研究策略：第一步：电能质量问题分析•美国在300多个电厂/电站安装了电能质量监测仪（PQNodes）第二步：发展电能质量控制器•EPRI与西屋公司成立西屋科学院，研究固态断路器（Solid-stateCircuitBreaker）、静止无功补偿器(STATCON)和动态电压恢复器等（DynamicVoltageRestorer，DVR)等电力电子式电压质量控制装置。第三步：与电力公司合作，开展应用推广研究。4.国内对电能质量问题的认识☆很长一段时间，只是关心有没有电的问题，即供电的可靠性；☆20世纪后半世纪,国内电力企业和有关学术组织不得不对电能质量标准作出较大的修订补充。传统的电能质量只包含频率、电压和可靠性(即不断电)三个方面。随后,部分事故和用户投诉使人们认识到电网中的谐波和三相不平衡现象的严重危害性。此后,电压波动和闪变也已引起足够重视,在电能质量标准内也已列入此项内容。☆2000年以前，我国对电能质量已先后颁布了几个国家标准,对电压允许偏差、电压允许波动和闪变、电网谐波、三相电压允许不平衡度、电力系统频率允许偏差等作出了明确的规定。☆目前和将来，推广电能质量体系的实际应用，进一步研究电能质量的分析方法和控制措施。5.改善电能质量的首要问题——电能质量分析与监测•目的：通过在特定地点设置电能质量分析和监测装置，评估其电力供应与负荷之间的兼容性，分析电能质量的各项指标，为评价电力供应和改善电能质量提供依据。•IEEE标准Std1159-1995，专门对电能质量监测提供了一系列规范。5.1电能监测装置的一般功能•信号调理，（PT/CT变换）•数据采集，•各项电能质量指标的计算与分析，•电能质量指标体系的设置，•电能质量报表，•数据记录，包括短期录波和长期数据备份，•信息呈现、即良好的人机界面，等。测量硬件＋分析和显示软件5.2电能监测装置的种类•便携式电能质量分析仪优点：使用方便，成本较低…缺点：信号通道数有限；对一些长期性电能质量指标不便进行监测…5.2电能监测装置的种类•固定式电能质量监视装置–优点：容量大，可长时间不间断监视–缺点：成本高。•较好的解决方案在已有的硬件系统（如数字录波器）中引入电能质量分析软件，从而有利于降低成本，增强功能。供电电压允许偏差（GB/T12325—2003）电压波动和闪变（GB12326—2000）公用电网谐波（GB/T14549—1993）三相电压允许不平衡度（GB/T15543—1995）电力系统频率允许偏差（GB/T15945—1995）暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481—2001）附：电能质量指标国家标准二、无功补偿功率因数的概念有功功率、无功功率与功率因数电源输电线M电力用户降压变压器PG+jQG有功功率（kW）：用于做功和发热损耗的那部分电能。例如：转换成机械能、热能、光能等；方向：电源至负载。一个周期的平均功率大于零。无功功率（kVar）：用于电路内电场与磁场交换的那部分电能。方向：上半周期从电源至负载，下半周期从负载至电源。一个周期的平均功率等于零。交流发电机输出的功率(视在功率：容量)（kVA）电能形成（电源）电能转换（负载）升压变压器ΔP+jΔQPL+jQL功率因数的概念Sj功率因数：有功功率出力在设备容量中所占的比重。cosj=P/S0≤cosj≤1.0功率三角形S2＝P2＋Q2jScosQjSsinPP→S或cosj→1.0节电：Q→0Q＝SsinjP＝Scosj自然功率因数25%50%75%负荷空载满载0.15以下0.670.730.750.76配电变压器0.2以下0.5-0.550.7-0.750.8-0.850.85-0.9感应电动机0.35-0.600.55-0.650.5-0.85电焊设备锻压设备工业电热0.55-0.650.65-0.750.5-0.8金属加工铸钢铸铁家用电器0.5-0.750.70-0.800.3-0.7提升、皮带水泵风机照明电器负荷自然功率因数：无功补偿前负荷的功率因数cosj=P/S典型负荷功率因数表：0.900.910.920.930.940.95-1.0实际功率因数00.150.300.450.600.75月电费减收%0.650.700.740.780.800.840.88实际功率因数15108.06.05.03.01.0月电费增收%功率因数与电费调整以0.9为标准值的功率因数调整电费表（功率因数自0.64以下每降低0.01电费增加2%）总电费=（高峰电度电费+平段电度电费+低谷电度电费+基本电费）×（１±功率因数奖惩率）+城市建设附加费无功补偿原理P+jQPL+jQL系统-jQCICZl=Rl+jXlZLV2Zc无功补偿原理图：负载IL功率平衡：P+jQ=PL+jQL–jQC=PL+j(QL–QC)P=PLIQ=QL–QCQcosj=costg-1(——)当QL=QC时：PV1P=PLQ=0{cosj=1.0无功补偿原理功率损耗：电压损耗：当Q=0时，ΔP=ΔPmin2221122PQPRIRV11122PRQXVVVV当Q=0时，ΔV=ΔVmin无功补偿原理把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷，并联接在同一电路；当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量；能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率，可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本。无功功率补偿的方法很多，以采用电力电容器或采用具有容性负荷的装置进行补偿比较多。这里，重点介绍电力电容器的补偿方法。介绍两种方法：并联补偿和串联补偿。无功补偿方法串联补偿：是把电容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。这种补偿方法的电容器称做串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，应用比较少。并联补偿：是把电容器直接与被补偿设备并联连接到同一电路上，以提高功率因数。这种补偿方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。电容器的补偿形式，以无功就地平衡为原则。无功补偿在电力系统中的作用补偿无功功率，提高功率因数；增加电网的传输能力，提高设备利用率；降低线路损失和变压器有功损失；减少设备容量；改善电压质量。ThankYouforyourAttention!