諧波抑制和無功補償資料

1、緒論電能質(zhì)量的好壞， 直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量， 評價電能質(zhì)量有三方面標準。 首先是電 壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最后是電壓的 波形質(zhì)量， 即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率， 也就是諧波所占的比重。 我國對電 能質(zhì)量的三方面都有明確的標準和規(guī)范。隨著科學技術的發(fā)展， 隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高， 非線性用電設備在電 網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗， 而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行， 造成了這些裝置的誤動與拒動， 直接威 脅電網(wǎng)的安全運行。 舉個常見的例子來說， 電子節(jié)能燈在使

2、用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行， 的確比常用的白熾燈好， 不僅亮度高又省電， 而且使用壽命也長。 但是相反，在大量投運節(jié) 能燈后， 就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。 這是由于節(jié)能燈是非線性負荷， 它產(chǎn)生較大的 諧波污染了這一片電網(wǎng)， 造成三相負荷基本平衡情況下， 中心線電流居高不下， 造成了該片 電網(wǎng)供電質(zhì)量下降， 用電設備發(fā)熱增加， 電網(wǎng)線損增加， 使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴重，嚴重影 響其使用壽命。 因此我們對非線性用電設備產(chǎn)生的諧波必須進行治理， 使諧波分量不超過國 家標準。第一章 基礎概念1.1 電力系統(tǒng)的組成電力系統(tǒng)是由發(fā)電、 輸電、用電三部分組成。 其中過程為發(fā)電廠發(fā)電經(jīng)升壓 變壓器升壓并

3、網(wǎng)， 再由輸電網(wǎng)絡輸送的各個變電站， 變電站進行降壓后輸送給各 個用戶，用戶經(jīng)過再一次降壓后給用電設備供電。 主要設備為發(fā)電機、 升壓變壓 器、輸電網(wǎng)絡、降壓變壓器、用電設備及二次保護系等組成。發(fā)電機的電壓等級一般為 6KV 、10KV ，輸電網(wǎng)絡為 110KV 、220KV 、500KV ， 配電網(wǎng)絡為 10KV 、35KV ，用電設備一般為 380V、220V。我國電力系統(tǒng)采用三相 50HZ 交流供電。1.2 功率的概念在供電系統(tǒng)中， 通?？偸窍Ｍ涣麟妷汉徒涣麟娏鲿r正弦波形 （不含有諧波的情 況下），正如電壓為：U t 2U sin t式中 U 電壓有效值 角頻率 2 ff 頻率 （50

4、HZ）正弦電壓施加在線性無源負載上如電阻、電容、電感上時，其電流的表達式為：I t 2 I sin tI 電流有效值 相位角電壓和電流的關系從相位圖上看如： （綠色為電壓，紅色為電流）視在功率為：S UI（KVA）有功功率為：P UI cos(KW)無功功率為：Q UI sin(Kvar )電流相位角 0 時，為電流滯后電壓， 負載呈現(xiàn)為感性（如電動機）電流相位角 +(0)5$(”畑(Me(JU1Un典型的諧波疊加諧波的表示方法：n 次諧波電壓含有率U n 第 n 次諧波電壓有效值U 1 基波電壓有效值n 次諧波電流含有率HRI n IIn1 100 %I1HRU n100 %In 第 n次諧

5、波電流有效值I1 基波電流有效值 諧波電壓含量 U H 和諧波電流含量 I H 分別為：電壓諧波總畸變率 THD u 和電流諧波總畸變率 THDUHTHD u H 100 % u U 1THD i I H 100 % i I 1公共電網(wǎng)諧波電壓限值電網(wǎng)標稱電壓電壓總諧波畸變率 各次諧波電壓含有率，奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.81.4 諧波和無功功率的產(chǎn)生在工業(yè)和生活用電負載重，阻感負載占有很大的比例。異步電機、變壓器、 熒光燈等都是典型的阻感負載。 阻感性負載必須吸收無功功率才能正常工作， 這 是由其本身的性質(zhì)決定的

6、。電力電子裝置等非線性裝置也會消耗無功功率， 如整流器、 變頻器等。非線 性負載在消耗無功功率的同時會產(chǎn)生大量的諧波電流。 例如熒光燈的電流畸變率 達到 20%，功率因數(shù)在 0.85 左右。諧波源可以分為以下幾類：1）、傳統(tǒng)的非線性設備，包括變壓器、旋轉(zhuǎn)電機以及電弧爐，如變壓器一次側電壓高于額定電壓的 10%，會使二次側的 3 次諧波增大。2）、現(xiàn)代電力電子非線性設備，包括熒光燈、現(xiàn)代辦公設備、 UPS 電源3）、晶閘管控制設備包括整流器、逆變器、變頻器、高壓直流輸電等諧波量的行業(yè)分布1.5 無功功率的影響和諧波的危害2.2.4 無功功率的影響 無功功率對公用電網(wǎng)的影響主要有以下幾個方面：1）

7、、增加設備容量。無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從 而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶 的啟動及控制設備、測試儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。2）、設備及線路損耗增加。無功功率的增加使總電流增大，因而使設備及線 路的損耗增加。3）、是線路及變壓器的電壓降增大， 如果是沖擊性無功功率負載 （如電弧爐）， 還會使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量嚴重降低。2.2.4 諧波的危害 諧波對公共電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致如下：1）、諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及 用電設備的效率，大量的 3 次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。2）

8、、諧波影響各種電器設備的正常工作。諧波對電機的影響除了引起附加損 耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使 電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。3）、諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使上面的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。4）、諧波會引起繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。5）、諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重 者會導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。因此，不論是從經(jīng)濟上還是從設備的安全運行上，無功補償和諧波治理都是必要的。第二章 無功補償和諧波治理通常無功補償?shù)哪康脑谟冢航?/p>

9、低電網(wǎng)損耗，節(jié)約能源，增加電網(wǎng)傳輸容量，提 高穩(wěn)定極限，提高電力系統(tǒng)功率穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定水平，提高電能質(zhì)量水平。 對無功進行補償?shù)姆椒ㄖ饕校和诫妱訖C 調(diào)整勵磁電流，使其在超前功率因數(shù)方式下運行，輸出有 功功率的同時輸出無功功率。一般用于發(fā)電廠，可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功。 同步調(diào)相機 當同步電動機不帶負載而空載運行司，向電網(wǎng)輸送無功功 率，主要用于樞紐變電所，現(xiàn)在很少采用此種方式并聯(lián)電容器 可提供超前的無功功率，多用于降壓變電所和配電室內(nèi)， 可就地補償。靜止無功補償裝置 采用功率器件發(fā)出補償電流或電壓， 可以連續(xù)調(diào)節(jié)， 使用日益廣泛，投資較大。上述方法中，由于并聯(lián)電容器結構簡單、價格便宜、安裝方便，應

10、用最廣，逐步取代了同步調(diào)相機。2.1 并聯(lián)電容器電力系統(tǒng)中的負載大部分為阻感性， 即電流滯后于電壓一定角度。 感性負載 從電網(wǎng)吸收無功功率， 而并聯(lián)電容器可以發(fā)出無功功率。 因此加裝并聯(lián)電容器可 以和感性負載在無功功率上達到一個平衡，即無功補償。并聯(lián)電容器從安裝位置上，通常有三種方式：集中補償 電容器安裝在企業(yè)配電室或變電站， 對其供電范圍內(nèi)的無功 進行補償?？梢詼p少高壓輸電線路上的無功損耗。分組補償 將電容器裝在功率因數(shù)比較低的車間或段母線上，補償范 圍較小，但是效果比較明顯。就地補償 將電容器裝在單個設備上，這種方式既能提高功率因數(shù)， 還能減少線路壓降和設備端電壓波動。將三種方式統(tǒng)籌考慮、

11、合理布局，將可以取得很好的技術經(jīng)濟效益。 串入電抗器由于電網(wǎng)中諧波的存在， 并聯(lián)電容器會對諧波造成一定的放大。 以 5 次諧波 為例：沒有串入電抗器的電容補償，對 5次諧波的放大為 1.84 倍。為了避免這 種情況的發(fā)生，往往在串入一定的電抗器，來抑制對諧波的放大。比如12.5%的電抗抑制 3 次以上諧波， 5.5%的電抗器抑制 5 次以上諧波。2.2 動態(tài)無功補償動態(tài)無功補償可以根據(jù)電力系統(tǒng)的無功需求投切電容器， 已達到維持較高的 功率因數(shù)的效果。大致可以分為以下幾種方式。2.2.4 機械投切電容器（ MSC ） 機械投切電容器是用接觸器做為控制開關， 通過功率因數(shù)控制器對功率因數(shù) 的檢測后

12、，發(fā)出投切指令給接觸器。接觸器接到指令后動作，吸合或斷開電路。 此種投切方式結構簡單， 成本相對較低， 可以對功率因數(shù)有一個很好的控制。 缺 點是在投切過程中的隨機性， 會造成一定的電流沖擊， 投切時觸電抖動等。 目前 防涌流接觸器的應用，可以從一定程度上緩解這個缺點，但是也不能根除。2.2.4 可控硅投切電容器（ TSC ）TSC 是用連個反并聯(lián)晶閘管替代繼電器。 晶閘管可以做到過零投切， 從而消 除了電容器投切時對電網(wǎng)造成的電流沖擊。 TSC動態(tài)響應速度， 無電流沖擊，可 靠性高。但是相比接觸器而言，結構復雜，成本較高，且晶閘管發(fā)熱消耗一定電 能，而且受電壓等級的限制。復合開關是晶閘管和機

13、械開關的一個組合體，成本較高，應用不是很廣。2.2.4 靜止無功補償裝置（ SVC ）目前比較常用的 SVC是由 FC+TCR或 FC+MCR 構成。FC無源單調(diào)諧濾 器是串有電抗器的電容器組， 結構簡單， 具有一定的無功補償和濾波功能。 TCR型式TCRMCR響應速度小于 10ms大于 200ms抑制電壓波動很好一般抑制閃變可以不可以冷卻系統(tǒng)熱管自冷或水冷油冷成本較高一般噪聲（%）沒有大于 75 分貝損耗0.2%0.4%2%4%是晶閘管投切電抗器型靜止無功補償裝置。 由于單獨的 TCR 只能吸收感性的無 功功率，而且產(chǎn)生諧波，因此往往與并 FC 配合使用。并聯(lián) FC后，使得總的無功功率為 T

14、CR 與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率。 SVC 可以自動調(diào)節(jié) 的無功功率補償裝置。它具有 3 個主要功能：抑制電壓波動， 改善功率因數(shù)， 吸收電網(wǎng)諧波。一般用于高壓集中補償。占地面積較大，成本較高，結構比較 復雜。2.2.4 靜止無功發(fā)生器（ SVG ）SVG 是由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。與 傳統(tǒng)的以 TCR 為代表的 SVC 相比， SVG 的調(diào)節(jié)速度更快，所需要的電抗器、 電容器的容量要小的多。 SVC 具有優(yōu)越的性能，是動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方 向。缺點是主要有功率器件組成，控制結構復雜，對技術要求程度較高。國內(nèi)有的成為靜止補償器 STATCOM 或

15、靜止調(diào)相器 STATCON。2.2.5 可控串聯(lián)補償器器（ TCSC ） 多用于電網(wǎng)，項目比較大，對穩(wěn)定性要求高。2.3 諧波治理 目前諧波治理的安裝方法有兩種方式， 在治理過程中又可以采用變電所集中 治理和非線性用電設備處分散治理兩種方法。 按誰污染誰治理的原則， 應該在非 線性用電設備處分散治理。但對于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設備，則只能進行 集中治理。分散和集中是相對而言的。2.3.1 分類 目前的諧波治理設備分為兩種：濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大 類。有源濾波器（ APF） 有源濾波器的基本工作原理是把電源側的電流波型與正弦波相比較， 差額部 分由主電路通過 PWM進行補償，這

16、是諧波治理的發(fā)展方向。 目前由于功率電子元 件容量做不大、 電壓做不高， 而且成本很高， 因此在現(xiàn)階段大量推廣應用有所限 制。隨著科學技術的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，會體現(xiàn)出其優(yōu)勢。無源濾波器（ LC）無源濾波器是通過 L、C 串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當發(fā)生串 聯(lián)諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小， 幾乎接近零， 這類濾波器往往接 在變壓器的二次側出口處， 從而使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小， 達到 對該次諧波治理的目的。串聯(lián)無源濾波器多用于對五、七、十一次諧波治理中， 而且往往同時采用兩組以上濾波器， 諧振在五、 七次，同時起補償電容器組的作 用。目前，在電力行業(yè)中

17、，它多用于 35kV 和 110kV變電所的 10kV母線上，兩組 濾波器中的電容器容量大于變電所無功補償容量， 串聯(lián)電感后， 諧振在五、 七次 諧波頻率中，使無源濾波器一物二用。2.3.2 無源濾波器和有源濾波器分析前面已經(jīng)說過， 目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種， 無源濾波和有源 濾波。下面就談談這二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟效益的分析。無源濾波器無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成 LC 串聯(lián)回路，并 聯(lián)于系統(tǒng)中， LC 回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如 5 次、 7 次、 11次諧振點上，達到濾除這 3 次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太 好

18、，如果諧振頻率設定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振?，F(xiàn)在，市場上流通較多的采 取的濾波方法就是這一種， 主要是因為低成本， 用戶容易接受。 雖濾波的效果較 差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。 由于其低 成本，市場的需求也就大， 一般而言，低壓 0.4KV 系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式， 高壓 10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù) 是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足， 一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波， 而有的企業(yè)由于諧波的含量太大， 常規(guī)的無功補償不能湊效， 供電部門對無功的 要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業(yè)主不得不要求濾波。因而

19、，其 市場的前景可觀，經(jīng)濟效益也就可觀了。有源濾波器有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發(fā)展起來的， 它的濾波效果好， 在 其額定的無功功率范圍內(nèi)， 濾波效果是百分之百的。 它主要是由電力電子元件組 成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、 同幅度， 但相位相反的諧波電流與 系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制， 成本極高， 其制作也較之無源濾波裝置復雜得多， 成本也就高得多了。 其主要的 應用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)， 尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)， 工廠的計算 機控制供電系統(tǒng)。 對單臺的裝置而言， 其利潤是可觀的， 但用戶一般不愿意用有 源濾波，對于諧波的含

20、量， 不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。 ， 但是這一產(chǎn)品一定會在諧波治理上占主導地位的。磁性濾波器采用軟磁材料，是通過改變磁路結構利用電磁原理和磁性曲線變化的特征進 行諧波治理（不含濾波電容器的濾波新技術） ，用于濾除奇次，偶次等不同的諧 波源。和無源濾波器，有源濾波器區(qū)別較大。無源濾波器區(qū)別在于，無源濾波器 是由電容器， 電抗器串聯(lián)調(diào)頻諧振的單一濾波器。 磁性濾波器是不含電容器的多 通道濾波器， 不需要特定調(diào)頻某一頻率濾波。 有源濾波器區(qū)別在于， 有源濾波器 是由電子模塊， IGBT，數(shù)字信號控制產(chǎn)生反向頻率的電流，抵消電網(wǎng)諧波，可有 源濾波器造價太高。磁性濾波器無件元件單一

21、，控制方式簡單，成本造價低。第三章 電容器和電抗器3.1 并聯(lián)電容器基本參數(shù)額定容量（ Qn）：設計電容器時所規(guī)定的無功功率額定電壓（ Un）：設計電容器時所規(guī)定的交流電壓均方根值（有效值） 額定頻率（ fn ）: 設計時所規(guī)定的頻率額定電容（ Cn）：由額定容量、額定電壓和額定功率計算出的值，電容值是由電容器的內(nèi)部結構決定，不隨電壓電流大小的變化而變化。QnCn 22 fnUn23.2 性能參數(shù)電容器過壓： 在規(guī)定條件下， 電容器能承受一給定時間的最高 交流電壓的有效 值。電容器過流：在規(guī)定條件下，電容器能承受一給定時間的最大交流電流的有效值。 環(huán)境空氣溫度：準備安裝電容器處的空氣溫度。冷卻

22、空氣溫度： 在穩(wěn)定狀態(tài)下， 在電容器的最熱區(qū)域中兩臺電容器外殼最熱點連 線中點的空氣溫度。如果僅有一臺電容器，則指在距離電容器外殼大約 0.1m 和 距離底部三分之二高度處測得的溫度。穩(wěn)定狀態(tài)：在恒定輸出功率和恒定環(huán)境空氣溫度下電容器達到的熱平衡狀態(tài)。 剩余電壓：斷開電容器一段時間后的殘存電壓。電容器損耗：電容器內(nèi)消耗的有功功率， （包括介質(zhì)，內(nèi)部熔絲，內(nèi)部放點器件， 連接件等產(chǎn)生的損耗） 損耗正切角：在規(guī)定頻率下，電容器有功功率和無功功率之比。電容器分類 按安裝位置：戶外式和戶內(nèi)式 按運行方式：單相電容器和三相電容器 按介質(zhì)分類：油浸式電容器和自愈式電容器等 自愈式電容器： 是一種在極間介質(zhì)

23、被局部擊穿后， 能迅速的基本上恢復電性能的電容器，其介質(zhì)為金屬化膜，有 Al 金屬化聚丙烯膜、 Zn-Al 金屬化膜等。質(zhì)量 的好壞主要取決于生產(chǎn)工藝表示溫度變化范圍上限的字母號代號環(huán)境溫度 / 最高24h 內(nèi)平均最高1 年內(nèi)平均最高A403020B453525C504030D5545353.3 串聯(lián)電抗器串聯(lián)電抗器大體分為鐵心電抗器和空心電抗器，在 400V 低壓系統(tǒng)中使用鐵心電 抗器，空心電抗器用于高壓系統(tǒng)。3.4 基本參數(shù)1、額定容量 ： 三相電抗器的額定容量Sn K Qc （K 電抗率）2、額定電感值L 2UfSn電抗值是由電抗器的結構決定的第四章 無功補償及無源濾波器裝置4.1 基本結構低壓無源濾波器和串聯(lián)電抗器的補償裝置結構大體相同， 不同之處主要為所串聯(lián) 電抗器的電抗率不同4.2 無功補償及濾波器的控制方式1、投切方式分析 投切方式主要分為靜態(tài)和動態(tài)：1）、靜態(tài)補償跟蹤補償時間大于 5S，投切機構一般為機械開關（如接觸器、防 涌流接觸器、電磁開關、 、復合開關、同步開關等） 。主要用于負載變化較小的情 況