谐波抑制和无功补偿.docx
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谐波抑制和无功补偿
绪论
电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。
首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。
我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。
随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。
它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。
举个常见的例子来说，电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行，的确比常用的白炽灯好，不仅亮度高又省电，而且使用寿命也长。
但是相反，在大量投运节能灯后，就会发现节能灯的损坏率大大提高。
这是由于节能灯是非线性负荷，它产生较大的谐波污染了这一片电网，造成三相负荷基本平衡情况下，中心线电流居高不下，造成了该片电网供电质量下降，用电设备发热增加，电网线损增加，使得该区的配变发热严重，严重影响其使用寿命。
因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理，使谐波分量不超过国家标准。
第一章基础概念
1.1电力系统的组成
电力系统是由发电、输电、用电三部分组成。
其中过程为发电厂发电经升压变压器升压并网，再由输电网络输送的各个变电站，变电站进行降压后输送给各个用户，用户经过再一次降压后给用电设备供电。
主要设备为发电机、升压变压器、输电网络、降压变压器、用电设备及二次保护系等组成。
发电机的电压等级一般为6KV、10KV，输电网络为110KV、220KV、500KV，配电网络为10KV、35KV，用电设备一般为380V、220V。
我国电力系统采用三相50HZ交流供电。
1.2功率的概念
在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流时正弦波形（不含有谐波的情况下），正如电压为：
式中
------电压有效值
ω--------角频率
f---------频率（50HZ）
正弦电压施加在线性无源负载上如电阻、电容、电感上时，其电流的表达式为：
I--------电流有效值
φ--------相位角
电压和电流的关系从相位图上看如：
（绿色为电压，红色为电流）
电流相位角φ>0时，为电流滞后电压，负载呈现为感性（如电动机）
电流相位角φ<0时，为电流滞后电压，负载呈现为容性（如无功补偿器）
视在功率为：
（KVA）
有功功率为：
（KW）
无功功率为：
（Kvar）
在正弦交流电路中，有功功率P是用来做功的，是负载消耗掉的真正的功率。
而无功功率Q通常是电源和储能元件之间进行的能量交换，是不用来真正做功的。
对于电机和变压器等电气设备来说，其视在功率S直接反应了线路中电流有效值的大小。
S也是变压器等设备功率的最大可利用量。
我们的理想情况是P=S，这样电气设备的容量充分的利用。
其中三者之间的关系如：
我们平时所说的功率因数
在谐波存在的情况下功率因数会减小
对于三相电路来说：
其中
、
、
为三相的相电压，
、
、
为三相线电压，其中
线电压为相电压的
倍
人们常说的电压为线电压，电流为相电流，三相功率为A、B、C相功率的总和。
即
无功功率在电力线路上引起的电压降（电压损失）为：
1.3谐波的概念
供电系统的谐波是有系统中电力元件的非线性引起的，下面以单相整流电路为例引出谐波的概念。
从上图可以看到
电压u=sin（wt+a）
电流i=id
电流i经过傅里叶级数分解后得到
从而可以看出正弦电压u加在整流设备上后，电流波形不在是正弦波，而变成了直流波形。
在直流波形i中就含有3、5、7…等谐波的存在。
一个畸变的波形是由不同频率的正弦波组成，即一个基本频率下的基波加上一系列的整数倍的谐波分量。
典型的谐波叠加
谐波的表示方法：
●n次谐波电压含有率
———第n次谐波电压有效值
———基波电压有效值
●n次谐波电流含有率
———第n次谐波电流有效值
———基波电流有效值
●谐波电压含量
和谐波电流含量
分别为：
●电压谐波总畸变率
和电流谐波总畸变率
公共电网谐波电压限值
电网标称电压ＫＶ
电压总谐波畸变率 ％
各次谐波电压含有率，％
奇 次
偶 次
0.38
5.0
4.0
2.0
6
4.0
3.2
1.6
10
35
3.0
2.4
1.2
66
110
2.0
1.6
0.8
1.4谐波和无功功率的产生
在工业和生活用电负载重，阻感负载占有很大的比例。
异步电机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。
阻感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质决定的。
电力电子装置等非线性装置也会消耗无功功率，如整流器、变频器等。
非线性负载在消耗无功功率的同时会产生大量的谐波电流。
例如荧光灯的电流畸变率达到20%，功率因数在0.85左右。
谐波源可以分为以下几类：
1）、传统的非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉，如变压器一次侧电压高于额定电压的10%，会使二次侧的3次谐波增大。
2）、现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、现代办公设备、UPS电源
3）、晶闸管控制设备包括整流器、逆变器、变频器、高压直流输电等
1.5无功功率的影响和谐波的危害
2.2.4无功功率的影响
无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面：
1）、增加设备容量。
无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。
同时，电力用户的启动及控制设备、测试仪表的尺寸和规格也要加大。
2）、设备及线路损耗增加。
无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。
3）、是线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载（如电弧炉），还会使电网电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
2.2.4谐波的危害
谐波对公共电网和其他系统的危害大致如下：
1）、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
2）、谐波影响各种电器设备的正常工作。
谐波对电机的影响除了引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。
谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
3）、谐波会引起电网中局部的并联和串联谐振，从而使谐波放大，使上面的危害大大增加，甚至引起严重事故。
4）、谐波会引起继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
5）、谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
因此，不论是从经济上还是从设备的安全运行上，无功补偿和谐波治理都是必要的。
第二章无功补偿和谐波治理
通常无功补偿的目的在于：
降低电网损耗，节约能源，增加电网传输容量，提高稳定极限，提高电力系统功率稳定及电压稳定水平，提高电能质量水平。
对无功进行补偿的方法主要有：
●同步电动机调整励磁电流，使其在超前功率因数方式下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。
一般用于发电厂，可以连续调节无功。
●同步调相机当同步电动机不带负载而空载运行司，向电网输送无功功率，主要用于枢纽变电所，现在很少采用此种方式
●并联电容器可提供超前的无功功率，多用于降压变电所和配电室内，可就地补偿。
●静止无功补偿装置采用功率器件发出补偿电流或电压，可以连续调节，使用日益广泛，投资较大。
上述方法中，由于并联电容器结构简单、价格便宜、安装方便，应用最广，逐步取代了同步调相机。
2.1并联电容器
电力系统中的负载大部分为阻感性，即电流滞后于电压一定角度。
感性负载从电网吸收无功功率，而并联电容器可以发出无功功率。
因此加装并联电容器可以和感性负载在无功功率上达到一个平衡，即无功补偿。
并联电容器从安装位置上，通常有三种方式：
●集中补偿电容器安装在企业配电室或变电站，对其供电范围内的无功进行补偿。
可以减少高压输电线路上的无功损耗。
●分组补偿将电容器装在功率因数比较低的车间或段母线上，补偿范围较小，但是效果比较明显。
●就地补偿将电容器装在单个设备上，这种方式既能提高功率因数，还能减少线路压降和设备端电压波动。
将三种方式统筹考虑、合理布局，将可以取得很好的技术经济效益。
串入电抗器
由于电网中谐波的存在，并联电容器会对谐波造成一定的放大。
以5次谐波为例：
没有串入电抗器的电容补偿，对5次谐波的放大为1.8~4倍。
为了避免这种情况的发生，往往在串入一定的电抗器，来抑制对谐波的放大。
比如12.5%的电抗抑制3次以上谐波，5.5%的电抗器抑制5次以上谐波。
2.2动态无功补偿
动态无功补偿可以根据电力系统的无功需求投切电容器，已达到维持较高的功率因数的效果。
大致可以分为以下几种方式。
2.2.4机械投切电容器（MSC）
机械投切电容器是用接触器做为控制开关，通过功率因数控制器对功率因数的检测后，发出投切指令给接触器。
接触器接到指令后动作，吸合或断开电路。
此种投切方式结构简单，成本相对较低，可以对功率因数有一个很好的控制。
缺点是在投切过程中的随机性，会造成一定的电流冲击，投切时触电抖动等。
目前防涌流接触器的应用，可以从一定程度上缓解这个缺点，但是也不能根除。
2.2.4可控硅投切电容器（TSC）
TSC是用连个反并联晶闸管替代继电器。
晶闸管可以做到过零投切，从而消除了电容器投切时对电网造成的电流冲击。
TSC动态响应速度，无电流冲击，可靠性高。
但是相比接触器而言，结构复杂，成本较高，且晶闸管发热消耗一定电能，而且受电压等级的限制。
复合开关是晶闸管和机械开关的一个组合体，成本较高，应用不是很广。
2.2.4静止无功补偿装置（SVC）
目前比较常用的SVC是由FC+TCR或FC+MCR构成。
FC无源单调谐滤器是串有电抗器的电容器组，结构简单，具有一定的无功补偿和滤波功能。
TCR是晶闸管投切电抗器型静止无功补偿装置。
由于单独的TCR只能吸收感性的无功功率，而且产生谐波，因此往往与并FC配合使用。
并联FC后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。
SVC可以自动调节的无功功率补偿装置。
它具有3个主要功能：
抑制电压波动，改善功率因数，吸收电网谐波。
一般用于高压集中补偿。
占地面积较大，成本较高，结构比较复杂。
型式
TCR
MCR
响应速度
小于10ms
大于200ms
抑制电压波动
很好
一般
抑制闪变
可以
不可以
冷却系统
热管自冷或水冷
油冷
成本
较高
一般
噪声（%）
没有
大于75分贝
损耗
0.2%～0.4%
2%～4%
2.2.4静止无功发生器（SVG）
SVG是由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。
与传统的以TCR为代表的SVC相比，SVG的调节速度更快，所需要的电抗器、电容器的容量要小的多。
SVC具有优越的性能，是动态无功补偿装置的发展方向。
缺点是主要有功率器件组成，控制结构复杂，对技术要求程度较高。
国内有的成为静止补偿器STATCOM或静止调相器STATCON。
2.2.5可控串联补偿器器（TCSC）
多用于电网，项目比较大，对稳定性要求高。
2.3谐波治理
目前谐波治理的安装方法有两种方式，在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。
按谁污染谁治理的原则，应该在非线性用电设备处分散治理。
但对于电脑，彩电，节能灯等民用设备，则只能进行集中治理。
分散和集中是相对而言的。
2.3.1分类
目前的谐波治理设备分为两种：
滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
●有源滤波器（APF）
有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由主电路通过PWM进行补偿，这是谐波治理的发展方向。
目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，而且成本很高，因此在现阶段大量推广应用有所限制。
随着科学技术的发展，功率电子元件的成本下降，会体现出其优势。
●无源滤波器（LC）
无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。
串联无源滤波器多用于对五、七、十一次谐波治理中，而且往往同时采用两组以上滤波器，谐振在五、七次，同时起补偿电容器组的作用。
目前，在电力行业中，它多用于35kV和110kV变电所的10kV母线上，两组滤波器中的电容器容量大于变电所无功补偿容量，串联电感后，谐振在五、七次谐波频率中，使无源滤波器一物二用。
2.3.2无源滤波器和有源滤波器分析
前面已经说过，目前常用的谐波治理的方法无外乎有二种，无源滤波和有源滤波。
下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。
●无源滤波器
无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。
其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。
现在，市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。
虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。
由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。
由于我国的中小企业大多数
是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。
因此，业主不得不要求滤波。
因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。
●有源滤波器
有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。
它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。
但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。
其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。
对单台的装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。
，但是这一产品一定会在谐波治理上占主导地位的。
●磁性滤波器
采用软磁材料，是通过改变磁路结构利用电磁原理和磁性曲线变化的特征进行谐波治理（不含滤波电容器的滤波新技术），用于滤除奇次，偶次等不同的谐波源。
和无源滤波器，有源滤波器区别较大。
无源滤波器区别在于，无源滤波器是由电容器，电抗器串联调频谐振的单一滤波器。
磁性滤波器是不含电容器的多通道滤波器，不需要特定调频某一频率滤波。
有源滤波器区别在于，有源滤波器是由电子模块，IGBT，数字信号控制产生反向频率的电流，抵消电网谐波，可有源滤波器造价太高。
磁性滤波器无件元件单一，控制方式简单，成本造价低。
第三章电容器和电抗器
3.1并联电容器基本参数
额定容量（Qn）：
设计电容器时所规定的无功功率
额定电压（Un）：
设计电容器时所规定的交流电压均方根值（有效值）
额定频率（fn）:
设计时所规定的频率
额定电容（Cn）：
由额定容量、额定电压和额定功率计算出的值，电容值是由电容器的内部结构决定，不随电压电流大小的变化而变化。
3.2性能参数
电容器过压：
在规定条件下，电容器能承受一给定时间的最高交流电压的有效值。
电容器过流：
在规定条件下，电容器能承受一给定时间的最大交流电流的有效值。
环境空气温度：
准备安装电容器处的空气温度。
冷却空气温度：
在稳定状态下，在电容器的最热区域中两台电容器外壳最热点连线中点的空气温度。
如果仅有一台电容器，则指在距离电容器外壳大约0.1m和距离底部三分之二高度处测得的温度。
稳定状态：
在恒定输出功率和恒定环境空气温度下电容器达到的热平衡状态。
剩余电压：
断开电容器一段时间后的残存电压。
电容器损耗：
电容器内消耗的有功功率，（包括介质，内部熔丝，内部放点器件，连接件等产生的损耗）
损耗正切角：
在规定频率下，电容器有功功率和无功功率之比。
电容器分类
按安装位置：
户外式和户内式
按运行方式：
单相电容器和三相电容器
按介质分类：
油浸式电容器和自愈式电容器等
自愈式电容器：
是一种在极间介质被局部击穿后，能迅速的基本上恢复电性能的电容器，其介质为金属化膜，有Al金属化聚丙烯膜、Zn-Al金属化膜等。
质量的好坏主要取决于生产工艺。
表示温度变化范围上限的字母号
代号
环境温度/℃
最高
24h内平均最高
1年内平均最高
A
40
30
20
B
45
35
25
C
50
40
30
D
55
45
35
3.3串联电抗器
串联电抗器大体分为铁心电抗器和空心电抗器，在400V低压系统中使用铁心电抗器，空心电抗器用于高压系统。
3.4基本参数
1、额定容量：
三相电抗器的额定容量
（K电抗率）
2、额定电感值
电抗值是由电抗器的结构决定的
第四章无功补偿及无源滤波器装置
4.1基本结构
低压无源滤波器和串联电抗器的补偿装置结构大体相同，不同之处主要为所串联电抗器的电抗率不同
4.2无功补偿及滤波器的控制方式
1、投切方式分析
投切方式主要分为静态和动态：
1）、静态补偿跟踪补偿时间大于5S，投切机构一般为机械开关（如接触器、防涌流接触器、电磁开关、、复合开关、同步开关等）。
主要用于负载变化较小的情况下，控制结构简单，成本较低。
实际应用中投切时过电压为2—3倍，涌流为10—15倍。
同一组电容器的两次投入时间间隔为10min。
2）、动态补偿一般能在20ms内进行跟踪补偿。
执行机构一般为无触点开关（如反并联晶闸管）。
其能够做到过零投切，做到对电网无涌流，无冲击。
能够频繁的进行操作，用于负荷变化较快且频繁的系统。
结构发杂，价格较高，器件比较脆弱。
4.3无功补偿
在无功补偿中为了抑制涌流和谐波对系统的影响，通常在回路中串入电抗器。
在3次谐波比较严重的系统中常选用12%—14%的电抗器，在5次谐波含量较高的系统中选用5%—7%的电抗器。
串入电抗器的补偿装置能吸收近40%的系统谐波。
并且每个支路容量相等，多采用循环投切的方式。
投切门限分为功率因数和无功功率。
4.4LC无源滤波器
无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为被动式谐波电流旁路通道。
每个滤波支路的容量和电抗率不一样，根据谐波含量进行计算。
其采用次序投切的运行方式。
不足之处是存在和系统产生并联谐振的可能性。
4.5无功补偿经济分析
以某配电室1000KVA变压器为例：
该变压器平均负载电流为1150A，功率因数为0.75。
安装电容器360Kvar，投入后功率因数提高到0.95以上，电流为907A。
，电流有效值减少243A。
效益分析：
功率减少ΔS=243*0.4=100KW（不考虑变压器及降损）
节省电量：
ΔS*T=100*6000=600000KW（一年平均6000小时）
则一年可节省电费36万的直接效益（北京一般工业用电0.66元，不考虑功率因数对电费的影响及峰谷是电费的差距），和系统增容的间接效益，而安装360Kvar电容器投资15万左右。
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