存干货 | 电能质量与无功补偿

本帖最后由 alicot 于 2016-10-28 17:41 编辑

在电力改革的背景下，未来电力供应将更多地具备商品属性在市场上自由交易流通，电能与其他有型商品一样，也具备其独有的质量评价体系与标准。当电能无法满足其质量标准时，用电侧的设备使用就会受到不同程度的不利影响甚至遭受损害。在更多更大容量的可再生能源接入电网未来趋势下，电网的电能质量将注定成为电力系统运行中备受关注的关键。

今天，来初步了解一下电能质量吧。

图：电能质量监测装置
什么是电能质量？
电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。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。
电能质量有哪些国家标准？
（1） 供电电压偏差（GB/T 12325—2008）
（2） 电压波动和闪变（GB/T 12326—2008）
（3） 公用电网谐波（GB/T 14549—1993）
（4） 三相电压不平衡（GB/T 15543—2008）
理想电能是什么样的？
理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。
P.S. 中国的民用电频率为50Hz，相电压220V。


电能质量主要取决于电网中的功率平衡，这其中分为两部分的平衡。

有功功率平衡：
主要影响系统频率水平。
用于做功和发热损耗的那部分电能。
方向：电源至负载。 例如： 转换成机械能、热能、光能等；
无功功率平衡：
主要影响系统电压水平。
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

由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，上述的这种完全功率平衡的理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中电能质量的问题。

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。


典型电能质量问题：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降、波形缺口、……

电能质量问题的两大特点

主要体现为电压质量问题
电压跌落占其中很大的比例

如何解决电压质量问题？
目前电力系统主要的调节电压方式
（1）中枢点电压管理 调压方式：逆调压、顺调压和恒调压 特点：对电力用户的供电距离和供电容量有一定范围，但范围有限，很难满足远端电压要求。
（2）发电机调压 调压方式：发电机通过无功调节达到调压目的。 特点： 经济的调压手段，但发电机若进相运行，吸收无功，受定子端部绕组发热及电网稳定性的限制。
（3）变压器调压 调压方式：用调变压器分接头（无载或有载）调压，或用加压变压器调压。 特点：配电网中并不常用，操作较为繁琐。
（4）无功补偿 调压方式：并联电容器，并联电抗器，同步调相机，静止无功补偿器（SVC），静止调相机（SVG， STATCOM）。 特点：应用广泛，调节效果较好，但需要额外投资。
（5）改变电力网参数 调压方式：分裂导线，串联电容，可控串补。 特点：主要在电力传输网中使用，安装维护繁琐。
（6）变电站无功电压综合控制 调压方式：在变电站中综合变压器调压与无功补偿控制进行调压。

高压电网中造成运行电压变化的主要因素是无功功率的变化，无功功率大致从电压高处流向低处。

下面通过计算推导来看看高压输电线路的电压变化与无功的相关性。



图b
图a是输电线路等值电路；图b是电压电流矢量图。

根据矢量图，可得：


当已知 Vr 、Pr、Qr ，始端电压Vs可由下式求得（ Vr作为参考相量）。

由于输电线路R<
即

由于输电线路中δ一般较小，cosδ≈1,可得：

综上可知：无功功率将由电压高的一端流向电压低的一端。电压差值愈大，流过的无功功率 Qr 愈大。为了防止线路电压跌落，有必要针对输电线路进行无功补偿。同时，用电侧的负荷也消耗着相当数量的无功功率，针对用电侧的无功功率补偿也是必要的。



图:无功补偿控制器

无功补偿技术介绍及原理
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率无法满足用电设备需求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。 但是从发电机和高压输电线供给的无功功率一般无法满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。目前，电力系统中以无功就地平衡为原则。

无功补偿的基本原理：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，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。通过无功功率补偿，系统无功功率能够进一步得到平衡，从而电压跌落或者波动将大大减少。



电力系统中主要补偿方式分为集中补偿与分散补偿两种。

集中补偿：把补偿装置集中安装在变电所的一次或二次侧母线上，并装设自动控制设备，使之能随负荷的变化而自动投切。变电站补偿就属于这种方式。
优点：无功补偿装置的利用率较高，管理方便，能够减少电源线路和变电所主变压器的无功负荷。
缺点：不能减少低压网络和高压配出线的无功负荷，补偿装置安装需另外建设专门房间。
目前配电网以及高压传输线路中多采用集中补偿方式。

分散补偿：将补偿装置分别安装于功率因数较低的各配电用户的高压侧母线或负荷较大的电动机就地进线上，可与部分负荷的变动同时投入或切除。

优点：补偿装置利用率较高，能减少高压电源线路和变压器中的无功负荷，同时，补偿具有针对性，效果较好
缺点：不能减少干线和分支线的无功负荷，操作不够方便，初期投资较大。目前，工矿企业等用电负荷较高的用户侧多采用分散就地补偿方式

无功补偿的主要技术发展与分类


目前，SVC已广泛应用与各类无功补偿调节场合，而SVG也逐渐走向成熟应用阶段，未来这两种技术将作为电力系统无功补偿的主要支柱。
SVC
依据使用要求与构成回路的不同方式，目前主要有六种型式的SVC:
( 一 )晶闸管控制电抗器式静补装置
TCR（Thyristor Controlled Reactor）

（二）自饱和电抗器式静补装置SSR
SSR （Self-Saturated Reactor）

（三）晶闸管开关电容器式静补装置
TSC（Thyristor Switched Capacitor）

(四)可控饱和电抗器式静补装置
CSR（Controlled Saturated Reactor）

（五）强迫换流式静补装置
FCI（Force-Communited Invetnet）

（六）晶闸管控制电抗器和投切电容器的混合式静补装置
TCR+TSC(Thyristor Controlled Reactor And Thyristor Switched Capacitor)

其中，低压系统常用TSC，而在10kV、35kV中压系统多采用TCRTCR+TSC。

TCR与TSC的介绍
TCR型SVC由两个反并联的晶闸管与yield电抗器L相串联组成，控制元件是可控硅控制器。其三相电路大多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当予交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°~180°。当触发角α=90°时，晶闸管全导通，导通角δ=180°，此时电抗器吸收的无功电流最大。

根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：

可以看出。增大触发角即可增大补偿器的等效电抗，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到TCR调整无功功率的效果。
TSC型SVC有两个反并联的晶闸管可以将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。这种系统将并联补偿电容器分成若干组，根据
无功负荷的变化情况对补偿电容器进行分组投切，达到调整无功补偿量的目的。
TSC用于三相电网中可以使三角形连接，也可以是星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切，这样可根据电网的无功需求来分级调节。为了对无功电流能尽量做到无极调节，电容器级数当然越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用1个电容值为C的电容和电容值为C/2的电容组成2K级的电容组数。

TSC可以很好地补偿系统的无功功率，运行实践证明这种系统具有较快的反应速度，体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流。但对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量进行调节是不够的，所以TSC往往与电感想并联，其典型设备是TSC+TCR补偿器。这种U币长期均采用三角形裂解，以电容器作分级粗条，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有谐波抑制器，大大减小了谐波。
SVG

国际上通常称为静止补偿器，即STATCOM（Staitic Compensator），是柔性交流输电系统（FACTs，Flexible AC Transmission Systems）的重要设备。
所谓STATCOM就是指由自换相的电力半导体桥式交流器来进行动态无功补偿的装置。它不仅可以用于输电系统中，也可用于配电系统中，其作用是提供或吸收无功功率，维持母线电压稳定，必要时还可滤除负荷产生的谐波。
STATCOM是由三相逆变器和并联电容器或电抗器构成的，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值与相位，或者直接控制其交流电流的幅值与相位，迅速吸收或发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功目的。STATCOM不仅可校正稳态运行电压，还可以在故障后恢复期间高速稳定电压，因此，对电网电压的控制能力很强。由于采用门极关断（GTO）晶闸管，可避免换向失败，小容量可选用IGBT。直流侧电容器指示用来维持直流电压，不需要多大容量，STATCOM整体功能类似于同步调相机，但却大为简化。STATCOM的调节范围大，不会发生响应迟缓，反应速度快，没有转动设备的机械惯性、机械损耗和旋转噪声。并且因为STATCOM是一种完全的固态装置。所以它既能响应网络中的稳态也能响应暂态变化，它的控制响应速度要比同步调相机快一个数量级。STATCOM是个电流源，其电流值不受系统电压的影响，所以STATCOM控制电压的能力要强。此外，由于无需滤波器，它的占地面积也要小。

与SVC相比，SVG拥有以下优势：
1.SVG响应时间快，一般响应时间不大于5ms，而SVC约为20~40ms
2.SVG占地面积比同容量的SVC减少2/3~3/50%
3.SVC是组抗性特性，输出容量受到母线电压影响很大；SVG具有电流源特 性，输出容量基本不受母线电压影响。
4.SVG在采用多重化、多电平或PWM控制技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量。