并联补偿技术.ppt

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1、第八章第八章 并联补偿技术并联补偿技术8-1 8-1 概述概述1 1 电力牵引负荷的特点电力牵引负荷的特点三相不平衡三相不平衡功率因数低功率因数低谐波含量丰富（主要是奇次）谐波含量丰富（主要是奇次）上述电力牵引自身具有的技术特点，不仅上述电力牵引自身具有的技术特点，不仅使牵引供电系统自身的技术指标变恶劣，还使使牵引供电系统自身的技术指标变恶劣，还使系统电能质量受到损害。系统电能质量受到损害。2 2 无功功率对系统影响无功功率对系统影响造成设备的容量利用率下降造成设备的容量利用率下降 额外占有供变电设备（主要是变压器和输额外占有供变电设备（主要是变压器和输电线）的容量，使其容量的有效利用率下降。

2、电线）的容量，使其容量的有效利用率下降。若电力牵引负荷的功率因数为若电力牵引负荷的功率因数为0.8（滞后）（滞后），则无功功率占总容量的，则无功功率占总容量的60%，有功功率占总，有功功率占总容量的容量的80%。无功电流将增大电网的功率损失无功电流将增大电网的功率损失 若分别记有功电流为若分别记有功电流为 ，无功电流为，无功电流为 ，当功率因数为当功率因数为0.8（滞后）时，通过供变电设（滞后）时，通过供变电设备造成的功率损耗备造成的功率损耗 正比于正比于 ，即正比于即正比于 ，比仅有有功，比仅有有功电流造成的功率损失大电流造成的功率损失大56.25%。2 2 无功功率对系统影响无功功率对系统

3、影响增加用户用电点的电压损失增加用户用电点的电压损失 由前几章的学习知，电压损失主要来自无由前几章的学习知，电压损失主要来自无功电流与供变电设备电抗之积，即功电流与供变电设备电抗之积，即 可见，当经过供变电设备传输大容量、快速波可见，当经过供变电设备传输大容量、快速波动的无功时，用户用电点处将产生较大的、相动的无功时，用户用电点处将产生较大的、相应变化的电压损失。应变化的电压损失。2 2 无功功率对系统影响无功功率对系统影响提高供变电设备的容量利用率提高供变电设备的容量利用率降低电网功率损失降低电网功率损失改善用户的电压水平改善用户的电压水平降低牵引供电系统的不对称运行程度降低牵引供电系统的不

4、对称运行程度滤除高次谐波滤除高次谐波3 3 并联补偿的综合效益并联补偿的综合效益 有源补偿有源补偿无功补偿无功补偿 无源补偿无源补偿 4 4 补偿技术的分类补偿技术的分类串联补偿串联补偿并联补偿并联补偿电容补偿电容补偿电抗补偿电抗补偿(混合混合)无功补偿无功补偿根据调节根据调节手段分类手段分类根据接入根据接入方式分类方式分类根据采用根据采用元件分类元件分类可调可调不可调不可调采用电力电子器件构成的电压采用电力电子器件构成的电压型或电流型变流器作为补偿元型或电流型变流器作为补偿元件。件。由于技术、成本等原因，有源由于技术、成本等原因，有源补偿在高压系统中的应用范围补偿在高压系统中的应用范围有限。

5、有限。由电力电容器由电力电容器(组组)、电抗器、电抗器(组组)和电阻器和电阻器(组组)这类无源器件构这类无源器件构成。成。目前在高压、大容量集中补偿目前在高压、大容量集中补偿的场合应用广泛。的场合应用广泛。串联补偿主要用于电压水平补偿即调压，对无串联补偿主要用于电压水平补偿即调压，对无功也有少量的补偿作用。功也有少量的补偿作用。并联补偿有可调的和不可调的两种，其中由于并联补偿有可调的和不可调的两种，其中由于技术和经济的原因，不可调并联补偿的应用比技术和经济的原因，不可调并联补偿的应用比可调并联补偿广泛，特别对用户的并联补偿尤可调并联补偿广泛，特别对用户的并联补偿尤为如此。为如此。4 4 补偿技

6、术的分类补偿技术的分类串联电容补偿（串联电容补偿（SCC）主要用于调高电压或改）主要用于调高电压或改变系潮流。变系潮流。串联电抗补偿（串联电抗补偿（SIC）主要用于限流、调低电）主要用于限流、调低电压或改变系统流。压或改变系统流。并联电容补偿（并联电容补偿（PCC）主要用于向系统提供感）主要用于向系统提供感性无功，改善电压水平，补偿不平衡电流。性无功，改善电压水平，补偿不平衡电流。并联电抗补偿（并联电抗补偿（PIC）主要用于补偿长大线路）主要用于补偿长大线路的充电（超前）无功，以降低电压的过分升高，的充电（超前）无功，以降低电压的过分升高，或用来补偿负序电流。或用来补偿负序电流。4 4 补偿技

7、术的分类补偿技术的分类并联无功补偿（并联无功补偿（PRC）的最佳场合是具有无功）的最佳场合是具有无功补偿要求的不对称负荷，如电力牵引负荷、电补偿要求的不对称负荷，如电力牵引负荷、电弧炉等。弧炉等。因为电气化铁道的负序和谐波也都与无功同时因为电气化铁道的负序和谐波也都与无功同时产生，所以只要将并联补偿作适当安排就能达产生，所以只要将并联补偿作适当安排就能达到综合补偿的目的。到综合补偿的目的。4 4 补偿技术的分类补偿技术的分类8-2 8-2 并联电容补偿及相关分析并联电容补偿及相关分析1 1 臂负荷（变电所）功率因数的提高臂负荷（变电所）功率因数的提高 由于变电所平均功率因数与臂负荷的平均功率由

8、于变电所平均功率因数与臂负荷的平均功率因数相等，所以下面以臂负荷功率因数的提高为例因数相等，所以下面以臂负荷功率因数的提高为例说明并联电容补偿的相关计算。说明并联电容补偿的相关计算。考虑如图所示考虑如图所示变电所的一个供电变电所的一个供电臂，电压、负荷电臂，电压、负荷电流和功率因数分别流和功率因数分别为为 、和和 。若将供电臂功率因数提高到若将供电臂功率因数提高到 ，计算所需投放，计算所需投放分补偿容量分补偿容量 。以。以 为参考相量做相量图和功率图。为参考相量做相量图和功率图。求得需补偿的容量求得需补偿的容量 为为2 2 功率损失的减少功率损失的减少 供电系统在牵引端口的三角接等效电路如图供

9、电系统在牵引端口的三角接等效电路如图中方框内的部分所示，其中中方框内的部分所示，其中 为归算到牵引端口为归算到牵引端口的三相系统短路阻抗与牵引变压器等值阻抗之和，的三相系统短路阻抗与牵引变压器等值阻抗之和，且且 。则当三相负荷对称时，由于负荷电流引起的三相则当三相负荷对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为功率损失为 式中，式中，供电系统相阻抗的电阻部分；供电系统相阻抗的电阻部分；变压器次边绕组电流；变压器次边绕组电流；绕组电流的有功分量；绕组电流的有功分量；绕组电流的无功分量。绕组电流的无功分量。当采用并联电容补偿（且不发生过补偿至原感性当采用并联电容补偿（且不发生过补偿至原感性无功水平）时

10、，系统电流的有功分量大小不变，无功水平）时，系统电流的有功分量大小不变，而无功分量减小，从而使功率损失相应减小。而无功分量减小，从而使功率损失相应减小。则当三相负荷电流不对称时，由于负荷电流引起的三则当三相负荷电流不对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为相功率损失为 式中，式中，、系统三相电流有效值；系统三相电流有效值；、系统的正、负、零序电流；系统的正、负、零序电流；、正序电流的有功、无功分量。正序电流的有功、无功分量。对于电牵引供电系统，则不存在零序分量。对于电牵引供电系统，则不存在零序分量。设置适当的并联电容补偿可减小负序电流和正序电流设置适当的并联电容补偿可减小负序电流和正序电流的无

11、功分量，从而减小总的功率损失。的无功分量，从而减小总的功率损失。3 3 变电所母线电压的提高变电所母线电压的提高 以以YNYN，d11d11牵引变电所为例，考虑三个端口都有牵引变电所为例，考虑三个端口都有并联电容的情形。假设牵引端口无负荷，臂电流为并联电容的情形。假设牵引端口无负荷，臂电流为 、和和 ，即补偿电容电流；对应的绕组电流为，即补偿电容电流；对应的绕组电流为 、和和 。设设 引前引前 ，可画，可画如右所示的端口电气如右所示的端口电气相量图。下面主要关相量图。下面主要关注绕组电流及其在注绕组电流及其在 引起的压降和压损。引起的压降和压损。以端口以端口1为例，绕组电流为例，绕组电流 所产

12、生的牵引母线所产生的牵引母线的电压降为的电压降为 则电压损失为则电压损失为 化简后得化简后得 由于上式中第一项接近于零，所以端口由于上式中第一项接近于零，所以端口1的母线电的母线电压约提高了压约提高了 。4 4 并联电容补偿对负序电流的抑制并联电容补偿对负序电流的抑制基本方法：基本方法：计算变电所合成牵引负序电流计算变电所合成牵引负序电流 。设置并补容量，设法使补偿装置的合成负序电设置并补容量，设法使补偿装置的合成负序电流流 与与 反向。反向。已知：以原边相电压已知：以原边相电压 为基准所画的负序相量为基准所画的负序相量图中，各相负荷电流和并联电容的负序电流分图中，各相负荷电流和并联电容的负序

13、电流分量的相位关系如表所示：量的相位关系如表所示：相别相别abc机车电流机车电流电容器电容器特例：特例：取负荷电流取负荷电流 、产生的负序分量为产生的负序分量为 、，则牵引电流的合成负序电流为则牵引电流的合成负序电流为 ，三相并联电容补偿电流产生的负序分量分别为三相并联电容补偿电流产生的负序分量分别为 、。分三种情况讨论。分三种情况讨论。（1）此时，此时，即牵引电流在系统侧的，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为负序分量基本为 ，以原边相电压为基准可，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在量

14、图知，应在a、b两相设置并补。两相设置并补。（2）此时，此时，即牵引电流在系统侧的，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为负序分量基本为 ，以原边相电压为基准可，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在量图知，应在b、c两相设置并补。两相设置并补。（3）此时此时 ，以原边相电压为基准可，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：画出负序相量图如下：由相量图知，在由相量图知，在b相设置并补即可。相设置并补即可。【例】设Y11接线牵引变电所两臂负荷相同，且功率因数为1。试用全负序相量图求解PRC使全变

15、电所合成负序电流为零的条件，即确定此时PRC装置的电流值、联结端口及其性质（容性还是感性）。PRC在（A）、（B）相（A）相并电感（B）相并电容 补偿后补偿后PRC在（C）、（A）相 PRC在（B）、（C）相（A）相并电感（C）相并电感（B）相并电容（C）相并电容 补偿后补偿后感性感性补偿后补偿后容性容性8-3 8-3 牵引变电所负序补偿特性解析 n个端口中前3个为牵引负荷端口，其余为PRC端口 无PRC时的负序功率为 定义负序补偿度定义负序补偿度 为取得好的补偿效果，通常取 设各设各PRC端口均装并联电容，而当其值为端口均装并联电容，而当其值为“”时时为感性为感性 令令最多能唯一确定两个端口

16、的PRC值，设在端口k、l 两个端口的接线角须满足 即 或，k、l4，5，n 结论：结论：对补偿负序而言，任意两个接线角相异且不垂直的端口安装PRC都能达到相同的和任意好的负序补偿效果。换言之，两接线角相异且互不垂直的端口的PRC对补偿负序是完备的。两个以上相异端口补偿则是多余的。仅用一个或两相互垂直接线角的端口PRC补偿负序也能达到所要求的效果，但此时端口接线角已不能独立于牵引负荷而自行选择。结论：结论：负序补偿度一经设定，则额外端口的负序补偿度一经设定，则额外端口的PRC只只会使指定的两相异端口会使指定的两相异端口k、l上的上的PRC增大或减少，增大或减少，而对负序补偿效果没有影响。显然，

17、为工程上便利而对负序补偿效果没有影响。显然，为工程上便利以不附设这些额外端口的并联补偿为宜，除非有其以不附设这些额外端口的并联补偿为宜，除非有其他用途。他用途。Y11接线PRC的负序补偿特性 三个端口PRC电流为 、分别在(A)、(B)、(C)三相（1）超前相、滞后相加）超前相、滞后相加PRC k=4，l5，n6 自由相PRC使超前相、滞后相电流等量增加，对补偿负序没有意义，故取 i6=0定义 臂负荷比 相对PRC容量 超前相、滞后相PRC相对容量分布 超前相、自由相PRC相对容量分布（2）超前相、自由相加）超前相、自由相加PRC k=4，l6，n6 i5=0滞后相、自由相PRC相对容量分布（

18、3）滞后相、自由相加）滞后相、自由相加PRC k=5，l6，n6 i4=0滞后相、自由相超前相、自由相超前相、滞后相臂负荷比臂负荷比PRC分布分布超前相超前相滞后相滞后相容性容性容性容性-容性容性感性感性容性容性超前相超前相自由相自由相容性（小）容性（小）感性感性感性感性感性感性感性感性感性感性滞后相滞后相自由相自由相感性（小）感性（小）感性感性容性容性-容性容性容性容性结论：结论：在在Y/-11牵引变电所内，为尽可能好牵引变电所内，为尽可能好地补偿牵引负荷产生的负序电流，地补偿牵引负荷产生的负序电流，PCC应满应满足如下分布：足如下分布：（1）1即超前相负荷远小于滞后相对，应即超前相负荷远小

19、于滞后相对，应在滞后相和自由相上加在滞后相和自由相上加PCC。抹去感性区曲线即得PCC分布曲线，PCC已不满足对负序补偿的完备性 8-4 8-4 无功和负序综合补偿计算模型定义无功补偿度定义无功补偿度 实际应用中 综合补偿无功和负序模型：综合补偿无功和负序模型：一、通过选择有关端口接线角（即牵引变压器接线方式）而使PRC设备总容量为最小；二、对固定牵引变压器接线方式（即给定端口）力求PRC设备总容量为最小。（1）最小）最小PRC容量模型（计算模型容量模型（计算模型1）无功补偿只与PRC系统出力总和（代数和）有关，而与接线角（端口）无关。但负序补偿与接线角密切相关。思路：思路：为使PRC系统设备

20、容量最小，应从取得对负序补偿的最佳利用，再兼顾无功补偿。要求每个端口的PRC装置产生的负序补偿分量均与牵引负荷产生的合成负序共线且反向，同时追加无功补偿度KC的约束 两维唯一确定的解，故只选择任意两个端口（如端口k和端口l，且kl）的PRC装置便可。要求两个端口一个并入电容器另一个并入电抗器 选择或且结论：结论：如果牵引变压器端口接线满足如果牵引变压器端口接线满足则只要设置一个并联电容器端口和一个并联电抗器则只要设置一个并联电容器端口和一个并联电抗器端口（其接线角超前电容端口接线角端口（其接线角超前电容端口接线角900），这样），这样两个端口就能同时完备地补偿无功和负序，并且所两个端口就能同时

21、完备地补偿无功和负序，并且所需需PRC设备功率（即时容量或不可调时的平均容量）设备功率（即时容量或不可调时的平均容量）|SC|+|SL|为最小为最小 或当 时仅用一个并联电容端口即可，换言之，当仅用电容补偿时，无功补偿是完备的，KC可在0，1区间上任选，但对负序的兼补作用（KN）将随之而定，并不能任意选择。当牵引变电所实行纯单相（单端口）供电时，若牵引负荷在端口1 或 功率因数波动不大，故变压器绕组的联结可固定不动，工程实现的难度在于设计特殊变压器和可调PRC系统。特殊变压器有一个牵引负荷端口和两个接线角重直的PRC端口并满足上式。不等边不等边Scoott接线对称变换系统接线对称变换系统 牵引

22、端口接线角（2）常规接线）常规接线PRC模型（计算模型模型（计算模型2）计算模型1：选择适当的变压器接线方式使得PRC设备容量为最小并满足无功、负序的综合补偿要求，同时也给出了这种系统中变压器接线的一般特征，使得变压器设计与制造有其特殊性，在某种程度上影响其广泛使用。计算模型2：利用自然端口，尽可能有效地补偿牵引负荷产生的负序功率，再兼补其无功。兼顾无功补偿，令 最多只能有三个端口的补偿变量可唯一确定 选取k、l、t三个端口的补偿量sk、s1、st(k、l、t=4,5，n，klt)要求安排Y/-11（或（或V/V）接线方式）接线方式 安排安排s1、s4在（在（A）相，）相，s2、s5在（在（B）相，）相，s3、s6在（在（C）相）相 定义臂负荷比=s2/s1 设原牵引负荷功率因数 补偿后 KC=0.354 KN=1 三相三相两相平衡接线方式两相平衡接线方式 s3=0令该式与角无关，适于任意三相两相平衡接线变电所 设原牵引负荷功率因数 补偿后 KC=0.354 KN=1