固定無(wú)功補(bǔ)償器

1、12.1并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率原理在實(shí)際電力系統(tǒng)中，大部分負(fù)載為阻感型負(fù)荷，包括異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的絕大部分設(shè)備的等效電路可看作電阻R 和電感L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為其中。給R，L電路并聯(lián)接入C之后，電路如圖12-1所示，該電路的電流方程為。圖12-1原理圖 （a）過(guò)補(bǔ)償 (b) 欠補(bǔ)償12.2電容器與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振圖12-2a為分析并聯(lián)諧振的供用電網(wǎng)簡(jiǎn)化電路圖，圖12-2b為其等效電路圖。圖中諧波源In為恒流源，系統(tǒng)基波阻抗為ZS=RS+jXS，n次諧波阻抗為ZSn=RSn+jnXS，通常RSn<<nXS，為簡(jiǎn)化分析，可忽略RSn。補(bǔ)償電容器的基波電抗為XC，n次諧波電抗為XC/

2、n。 a) b)圖12-2 并聯(lián)諧振示意圖a) 供用電系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路圖 b) 等效電路圖圖12-2b的電路在滿足nXS=XC /n時(shí)會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振。設(shè)基波頻率為f，則諧振頻率fp為 (2-52)在圖12-2中諧波源電流為In時(shí)，流入系統(tǒng)的諧波電流ISn和流入電容器的諧波電流ICn分別為 (2-53) (2-54)當(dāng)n=np時(shí)，按上式計(jì)算得到的ISn和ICn均為無(wú)窮大。實(shí)際上考慮到系統(tǒng)諧波電阻RSn及電容支路等效電阻的存在，ISn和ICn都只可能是有限值，但可以比In大許多倍。實(shí)際電路中為了限制電容支路中的諧波電流和防止電容器投入時(shí)的沖擊電流，在電容支路中都串入一定容量的電抗器。設(shè)所串電抗器的基波

3、電抗為XL，對(duì)n次諧波的電抗為nXL，則電路滿足并聯(lián)諧振的條件為諧振頻率為 (2-55)設(shè)諧波源電流為In時(shí)，流入系統(tǒng)的諧波電流ISn和流入電容器的諧波電流ICn分別為 (2-56) (2-57)分析上述電路的頻率特性可知，在電容器支路串入電抗器后，諧振頻率下降，諧波放大頻段的寬度變窄，這對(duì)減小諧波電流的放大作用還是很有效的。在大多數(shù)情況下，應(yīng)該避免將補(bǔ)償系統(tǒng)的諧振頻率調(diào)諧至電力系統(tǒng)的諧波頻率，但有時(shí)也將諧振頻率調(diào)整到接近于諧波頻率，在一定程度上有助于減少諧波，但為什么不把它精確調(diào)諧到諧波頻率呢？1） 因?yàn)樵谡{(diào)諧點(diǎn)左邊濾波裝置對(duì)系統(tǒng)呈感性不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中變壓器漏電感產(chǎn)生諧振，在右邊呈容性容易產(chǎn)生諧

4、振。2） 假如5次諧波，理論諧振點(diǎn)，=，當(dāng)電容器使用時(shí)間較長(zhǎng)，C下降，增大，h>5，會(huì)使諧振點(diǎn)向右漂移，使諧波電流放大。因此固定補(bǔ)償器原理為電抗器串聯(lián)電容器，既可以補(bǔ)償無(wú)功功率，又可以抑制某次諧波。12.3方案設(shè)計(jì) 濾波器的類(lèi)型很多，最常用的濾波器是如圖12-3所示的3種類(lèi)型濾波器圖12-3 常用無(wú)源濾波器單調(diào)諧濾波器是最簡(jiǎn)單實(shí)用的濾波電路，其優(yōu)點(diǎn)是在調(diào)諧頻率點(diǎn)阻抗近似為零，在此頻率下濾波效果顯著。缺點(diǎn)是在低于調(diào)諧頻率的某些頻率與網(wǎng)絡(luò)形成高阻抗的并聯(lián)諧振，低次單調(diào)諧濾波器基波有功功率損耗較大。二階高通濾波器對(duì)于調(diào)諧頻率點(diǎn)以及高于此頻率的其他頻率有較好的濾波效果。它一般適合于4次及以上更高

5、次諧波電流的濾波。二階高通濾波器基波有功損耗較小，其并聯(lián)電阻器的諧波有功損耗較大。電弧爐、電焊機(jī)、循環(huán)換流器等負(fù)荷不僅產(chǎn)生整數(shù)次諧波電流，而且產(chǎn)生間諧波電流，高品質(zhì)因數(shù)的單調(diào)諧濾波器可能會(huì)使間諧波放大，低品質(zhì)因數(shù)的單調(diào)諧濾波器基波有功損耗大。因此在要求高阻尼且調(diào)諧頻率低于、等于4次的諧波濾波器常選用C型高通濾波器。濾波器類(lèi)型的確定原則a.負(fù)載在某些頻率點(diǎn)諧波電流大，頻率點(diǎn)附近無(wú)間諧波，可以選用單調(diào)諧濾波器。b.不高于4次諧波的頻率點(diǎn)附近如果存在間諧波，宜選用高阻尼C型高通濾波器。c. 要求高阻尼高通且調(diào)諧頻率等于、高于4次的諧波頻率點(diǎn)，可以選用二階高通濾波器。1.無(wú)功補(bǔ)償容量的確定補(bǔ)償容量：

6、補(bǔ)償后電壓變化近似為： 系統(tǒng)電壓的變動(dòng)： 式中：電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置接入系統(tǒng)處的額定電壓，kV；電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置接入系統(tǒng)處的實(shí)際運(yùn)行電壓，kV；系統(tǒng)最小短路容量，MVA；補(bǔ)償前負(fù)載基波平均功率因數(shù)測(cè)量值或設(shè)計(jì)值；負(fù)載基波平均有功功率，MW；負(fù)載基波最大無(wú)功功率，MVar；負(fù)載基波最小無(wú)功功率，MVar；補(bǔ)償后基波平均功率因數(shù)設(shè)計(jì)值；當(dāng)負(fù)載基波無(wú)功最小時(shí)，補(bǔ)償后存在的最大電壓正偏差；當(dāng)負(fù)載基波無(wú)功最大時(shí)，補(bǔ)償后存在的最大電壓負(fù)偏差。2電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功補(bǔ)償容量分配a.根據(jù)6.2（4）計(jì)算電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置總無(wú)功補(bǔ)償容量。b.設(shè)電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置由、次濾波器并聯(lián)組成，通過(guò)

7、（i=1，2m）次濾波器的主導(dǎo)諧波電流為，建議次濾波器的無(wú)功補(bǔ)償容量按照下式進(jìn)行計(jì)算。 3.濾波器的調(diào)諧頻率理想條件下，電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置的調(diào)諧頻率應(yīng)該與需要濾除的特征諧波頻率相等，這樣可以取得最好的濾波效果?？紤]到濾波電容器電容的溫漂及制造偏差、濾波電抗器的制造偏差、鐵心電抗器的非線性和系統(tǒng)頻率的變化，這些因素可能會(huì)使濾波器特征頻率阻抗呈容性而導(dǎo)致諧波放大，為了保證濾波器長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，一般取次濾波器的調(diào)諧頻率小于其特征頻率（其中a為調(diào)諧系數(shù)，為系統(tǒng)頻率）。調(diào)諧系數(shù)a的推薦值見(jiàn)表12-1。表12-1 調(diào)諧系數(shù)a的推薦值濾波器次數(shù)調(diào)諧系數(shù)a空心電抗器鐵心電抗器20.960.933、40.

8、960.970.930.9450.970.980.940.954.濾波電抗器的品質(zhì)因數(shù)電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置的有功基波損耗應(yīng)不大于總補(bǔ)償容量的0.5%，為了減小濾波器的有功基波損耗，各濾波電抗器品質(zhì)因數(shù)推薦值見(jiàn)表12-2。表12-2 濾波電抗器品質(zhì)因數(shù)推薦值濾波器次數(shù) 濾波電抗器品質(zhì)因數(shù) ，50 Hz，調(diào)諧次數(shù)250803401004720100710100 5.濾波器的R、L、C參數(shù)計(jì)算a.單調(diào)諧濾波器（h次）a) b) c) d) 式中：濾波器次數(shù)；濾波器調(diào)諧次數(shù)；濾波電抗器調(diào)諧頻率時(shí)品質(zhì)因數(shù)；次濾波器基波補(bǔ)償容量，MVar；供電母線實(shí)際運(yùn)行的最高電壓，kV；基波頻率，Hz；濾波電抗器調(diào)諧

9、頻率時(shí)等效串聯(lián)電阻；濾波器基波損耗率估算值；濾波器總基波有功損耗，MVar。b.二階高通濾波器（h次）a) b) =0.630c) d) 基波損耗率估算值: 式中：濾波器調(diào)諧頻率時(shí)的品質(zhì)因數(shù)。 c.C型高通濾波器a) b) c) ，=830 d) 式中：的基波容抗，；的基波容抗，。12.4系統(tǒng)仿真1 仿真目的通過(guò)仿真，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)阻抗的幅頻特性和相頻特性，計(jì)算流入系統(tǒng)的諧波電流系數(shù)（諧波電流源流入系統(tǒng)的諧波電流/諧波電流發(fā)生量），由此評(píng)價(jià)電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能并計(jì)算濾波器元件的電壓、電流和功率等參數(shù)。2 仿真電路電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置接入系統(tǒng)后的配電網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖12-4所示。圖12-4

10、仿真電路圖中：、系統(tǒng)阻抗參數(shù)；電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置次諧波阻抗，針對(duì)電力濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置不同的組合方式，有不同的值；負(fù)載次諧波阻抗；配電電纜電容參數(shù)；配電網(wǎng)內(nèi)非線性負(fù)載的諧波電流發(fā)生量；非線性負(fù)載注入系統(tǒng)的諧波電流；非線性負(fù)載注入系統(tǒng)的諧波電流所產(chǎn)生的諧波電壓。3 仿真計(jì)算a.阻抗計(jì)算式中：網(wǎng)絡(luò)諧波阻抗，；系統(tǒng)阻抗，；電纜阻抗，；為的幅角；系統(tǒng)頻率，Hz；配電電纜電容，。b.諧波電流系數(shù)c.注入系統(tǒng)的諧波電流 ，d.諧波電流源在母線上產(chǎn)生的諧波電壓 ，或e.R、L、C元件的電壓和電流計(jì)算流入各R、L、C的基波電流、各次諧波電流、總電流；計(jì)算R、L、C兩端的基波電壓、諧波電壓。12.5仿真案例

11、某鋼廠100噸交流電弧爐（EAF）和110噸精煉爐（LF）配電系統(tǒng)如圖D.1所示，平均負(fù)載功率為60 MW，SVC裝置由TCR和濾波裝置組成，濾波裝置由2階C型高通濾波器（2PF）和3次單調(diào)諧濾波器（3PF）、4次高通二階濾波器（4PF）組成。圖12-5某鋼廠100噸交流電弧爐配電系統(tǒng)圖PCC1短路容量最大運(yùn)行方式 864 MVA（遠(yuǎn)期規(guī)劃值875 MVA）最小運(yùn)行方式 757 MVAC.1.3 供電主變壓器120 MVA，330/35 kV，短路阻抗12%C.1.2 濾波裝置參數(shù)（1）濾波器主要參數(shù)見(jiàn)表C.1。表 C.1濾波器主要參數(shù)濾波器次數(shù)234補(bǔ)償容量(35 kV) Mvar20353

12、0濾波電抗器基波品質(zhì)因數(shù)705040（2）各濾波器電容器組參數(shù)見(jiàn)表C.2。表 C.2各濾波電容器組參數(shù)電容器組C21C22C3C4電容值F145.6451.9780.573.1三相安裝容量Mvar11.632.769.250.3額定電壓kV15.944.852.346.8基波容抗21.85661.24939.54243.544（3） 各濾波器電抗器參數(shù)見(jiàn)表C.3。表 C.3 各濾波電抗器參數(shù)電抗器L2L3L4電感值mH69.614.58.7額定基波電流A370648555額定諧波電流A80288190短路穩(wěn)態(tài)電流kA0.863.324.76短路沖擊電流kA2.198.4712.14基波電抗21

13、.8654.5532.733（4） 各濾波電阻器參數(shù)見(jiàn)表 C.4。表 C.4 各濾波電阻器參數(shù)電阻器R2R4額定電阻值 (50%額定功率) 251327額定連續(xù)功率 kW7540短時(shí)功率5 MW，3 s1.3 MW，2 s（5） EAF、LF和TCR諧波電流發(fā)生量見(jiàn)表 C.5。表 C.5 EAF、LF和TCR諧波電流發(fā)生量諧波次數(shù)35kV諧波電流發(fā)生量 AEAFLFEAF+ LFTCREAF+ LF+ TCRIh1Ih2Ih30.5350035002401.58008005029520976972.570070040320045237924545012515525100251183013963

14、51036036740104518548155160169205212211010310010111031151212525051372749:2531303C.3 濾波裝置仿真計(jì)算程序%clear allclc%close allh=50:1:1500;n=length(h);BranchCount=4;%支路數(shù)Q=30;%濾波器品質(zhì)因數(shù) Q1=40;%與系統(tǒng)阻抗并聯(lián)的電阻倍數(shù)，一般不需要改動(dòng)Q2=80;%與系統(tǒng)阻抗串聯(lián)的電阻倍數(shù)，一般不需要改動(dòng) Z=ones(BranchCount,7);Z_Branch=ones(BranchCount,n);%初始化各支路參數(shù)%第一種類(lèi)型 系統(tǒng)阻抗Z(

15、1,1)=0; %第一行類(lèi)型的表示 0：系統(tǒng)阻抗 1：?jiǎn)握{(diào)諧 2：二階高通 3：C型高通 4:考慮集膚效應(yīng)的負(fù)載阻抗Z(1,2)=1.618;%系統(tǒng)阻抗值%第二種類(lèi)型 單調(diào)諧Z(2,1)=1;Z(2,2)=4.553;%XLZ(2,3)=39.542;%XC%Z(2,7)=sqrt(Z(2,3)/Z(2,2); %濾波次數(shù)Z(2,7)=3; %濾波次數(shù)% %第三種類(lèi)型 二階高通Z(3,1)=2;Z(3,2)=2.733; %XLZ(3,3)=43.544; %XCZ(3,6)=327; %RZ(3,7)=4; %濾波次數(shù)% %第四種類(lèi)型 C型高通Z(4,1)=3;Z(4,2)=21.865;

16、%XLZ(4,3)=21.865; %XC1Z(4,4)=61.249; %XC2Z(4,6)=251; %RZ(4,7)=2; %濾波次數(shù)for k=1:BranchCount if Z(k,1)=0 RS1=Z(k,2)*Q1.*(h/50).(1/2); RS2=Z(k,2)/Q2; Z_Branch(k,:)=(j*Z(k,2).*(h/50).*RS1)./(j*Z(k,2).*(h/50)+RS1)+RS2; end if Z(k,1)=1 RD=Z(k,2)*sqrt(Z(k,7)/Q; Z_Branch(k,:)=j*Z(k,2).*(h/50)-j*Z(k,3)./(h/50

17、)+RD; end if Z(k,1)=2 RE1=Z(k,2)*sqrt(Z(k,7)/Q; XLE1=j*Z(k,2).*(h/50)+RE1; Z_Branch(k,:)=(XLE1.*Z(k,6)./(XLE1+Z(k,6)-j*Z(k,3)./(h/50); end if Z(k,1)=3 RC1=Z(k,2)*sqrt(Z(k,7)/Q; XLC1=j*Z(k,2).*(h/50)+RC1-j*Z(k,3)./(h/50); Z_Branch(k,:)=(XLC1.*Z(k,6)./(XLC1+Z(k,6)-j*Z(k,4)./(h/50); end if Z(k,1)=4 Z_B

18、ranch(k,:)=(Z(k,5).*(h/50).(1/2).*(j*Z(k,2).*(h/50)./(Z(k,5).*(h/50).(1/2)+(j*Z(k,2).*(h/50);%考慮集膚效應(yīng)的負(fù)載阻抗 endendFlag=0;for k=1:BranchCount if Z(k,1)=0&Flag=1 ZSH=(Z_Branch(k,:).*ZSH)./(Z_Branch(k,:)+ZSH); end if Z(k,1)=0&Flag=0 ZSH=Z_Branch(k,:); Flag=1; endend Flag=0;for k=1:BranchCount if

19、Z(k,1)=0&Flag=1 ZNH1=(Z_Branch(k,:).*ZNH1)./(Z_Branch(k,:)+ZNH1); end if Z(k,1)=0&Flag=0 ZNH1=Z_Branch(k,:); Flag=1; endend ZNH=ZNH1.*ZSH./(ZNH1+ZSH);%網(wǎng)絡(luò)阻抗諧波電流 KIh=abs(ZNH)./abs(ZSH);figure(1)hold onKIh1=plot(h/50),KIh,'g');grid onset(KIh1,'LineWidth',1);set(gca,'xlim',1,25);set(gca,'XTick',1:1:25);xlabel('諧波次數(shù)');ylabel('諧波電流系數(shù)