无功补偿与谐波治理.docx
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无功补偿与谐波治理
无功补偿与谐波治理
第一篇基本概念
一、无功补偿
1、有功功率，无功功率，视在功率，功率因数
有功功率（P）：
实际为电器所吸收的电功率
无功功率（Q）：
交流电网中，由于有阻抗和电抗（感抗和容抗）的同时存在，电感和电容所储的电能仍能回输到电网，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。
视在功率（S）：
在交流电网中，如负载是纯电阻，电压和电流是同相位，那么电压和电流的乘积就是有功功率，但在有电感或电容的电路中，电压和电流有着相位差，所以电压和电流的乘积并不是负载电路实际吸收的电功率，而是表面上的数值，叫做视在功率
功率因数（COSφ）有功功率与视在功率的比值就是功率因数
QS
P
单相电路中：
S=UXI
P=U*I*cosφ
Q=U*I*sinφ
S=√P2+Q2
三相电路中：
S=√3U*I
P=√3U*I*cosφ
Q=√3U*I*sinφ
S=√P2+Q2
感性无功：
感性负荷产生的无功（电机、变压器等）
容性无功：
容性负荷产生的无功（电容器）
2、为什么要提高功率因数
在一定的有功功率下，当用户企业cosφ越小，其视在功率也越大，为满足用电的需要，供电线路和变压器的容量也越大，这样不仅增加供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。
负载的功率因数过低，供电设备的容量不能充分利用，在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线路的电流越大，导线电阻的能量损耗和导线阻抗会造成电压降，所以功率因数是电力经济中的一个重要指标。
根据全国用电规则规定，在电网高峰负荷时，用户的功率因数应达到的标准：
高压用电的工业用户和高压用电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上，其它100KVA及以上电力用户和大中型电力排灌站，功率因数为0.85以上：
农业用电功率因数为0.80以上。
凡功率因数达不到上述规定的用户，供电部门会在其用户使用电费的基础上按一定比例对其进行罚款。
所以要提高用户的功率因数，必须进行无功补偿。
3、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，当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间交换。
这样感性负荷所吸收的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本。
4、无功补偿的方法
无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器或采用具容性负荷的装置进行补偿。
我们这里重点介绍电力电容器的补偿方法，电力电容器的补偿有两种方法：
并联补偿和串联补偿两种。
串联补偿：
是把电容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。
这种补偿方法的电容器称做串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少应用。
并联补偿：
是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。
这种补偿方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。
无功补偿的基本原则：
无功就地平衡
5、无功补偿对电网的补偿效益
1）、无功补偿改善电能质量
电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。
合理安装补偿设备可以改善电压质量。
负荷（P+Q）电压损失ΔU简化计算如下：
ΔU=（PR+QX）/U
式中:
U-线路额定电压，kV
P-输送的有功功率，kW
Q-输送的无功功率，kvar
R-线路电阻，Ω
X-线路电抗，Ω
安装补偿设备容量Qc后，线路电压降为ΔU1，计算如下：
ΔU1=[PR＋（Q－Qc）X]/U
很明显，ΔU1＜ΔU，即安装补偿电容后电压损失减小了。
由式
（1）、
（2）可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下：
ΔU-ΔU1=QcX/U
由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此从（3）式可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
2）、 无功补偿降低电能损耗
安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由cosφ提高到cosφ1，因为P＝UIcosφ，负荷电流I与cosφ成反比，又由于P＝I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。
当cosφ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。
反之当负荷的功率因数从1降低到cosφ时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%，计算如下：
ΔPL%＝（1/cos2φ-1）·100%
功率因数降低与功率损耗增加的百分数之间的关系如表1。
表1
功率因数从1降低到左列数值
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
电网元件中有功损耗增加百分数△%
11
23
38
56
78
104
136
功率因数提高对降低有功功率损耗的影响见表2。
表2
功率因数由右列数值提高到0.95
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
可变有功功率损耗降低的百分数
60
53
46
38
29
20
10
3）、 无功补偿挖掘发供电设备潜力
（1） 在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送有功功率。
可多送的有功功率ΔP计算如下：
ΔP=P1-P=S（cosφ1-cosφ）
（2） 如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，因此所需要的配变容量也相应地减少ΔS计算如下：
ΔS＝S-S1＝P（1/cosφ-1/cosφ1）
可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下：
ΔS/S=（cosφ1-cosφ）/cosφ1=（1-cosφ/cosφ1）
（3） 安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。
系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。
4）、 无功补偿减少用户电费支出
（1） 可以避免因功率因数低于规定值而受罚。
（2） 可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而相应可以减少电费的支出。
综上所述，采用无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的节能措施。
并联补偿电容器原理简单、使用方便、运行经济、投资省、可以分组投切保证电压合格率和合理的功率因数。
二、动态补偿与静态补偿
动态补偿，是近几年发展起来是一类先进的补偿装置，静态补偿是相对于动态补偿来说的。
以前我们常见的补偿柜或者补偿箱，大多用接触器做电容的开关。
因为接触器的反应慢，又要考虑电容器的放电时间，所以这类补偿装置的一个共同特点是投切间隔较长，最快也不过在5秒左右。
这样的速度，对于电焊机、行吊、锯木机，等等机器来说，就不能很好的补偿了。
为了解决这个问题，就采用了可控硅来做电容开关，可以将反应速度提高到毫秒，也就是可以跟踪负载的变化，级数先进的产品，几乎达到同步补偿的水平。
这样的快速补偿装置，我们叫它动态补偿。
动态补偿的优点：
反应快，补偿效果好，特别适用于负载波动剧烈的场合。
动态补偿通常还有分补功能，可以对不平衡的负载做良好的补偿。
动态补偿的不足：
价格高，可靠性还不够，自身耗能很大。
在负载比较稳定的场合没有优势。
静态补偿的优点：
技术成熟，价格低廉，工作可靠，在一般场合补偿效果良好。
所以使用很广泛。
静态补偿的不足：
反应慢，对于负载波动大的设备无法补偿。
静态补偿因成本限制，通常没有分补功能表。
特别指出：
采用复合开关的补偿柜，不能算动态补偿，只能算静态补偿的改进产品，或者是介于动态补偿与静态补偿之间的改良产品。
三、谐波治理
1、谐波的含义：
供电系统谐波的定义是：
对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。
谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。
电力系统中有非线性负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用富氏级数展开，就是人们称的电力谐波。
2、谐波的产生：
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。
在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流就是正弦波。
在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。
任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。
谐波频率是基频的整倍数，例如基波频率为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。
因此，畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……直到第三十次谐波组成。
产生谐波的设备类型：
所有的非线性负荷，都能产生谐波电流。
产生谐波的设备类型有：
开关模式电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备（变压器、电机等）及家用电器（如电视机）等。
各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等，还有种类繁多的照明器具、娱乐设施和家用电器等。
随着电力电子技术的发展，各类电力电子设备，如变频器等在企业的应用越来越广泛，大大提高了企业的生产效率，但变频器工作时会产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。
这样，连接在同一点的其它设备上，就会被施加了含有谐波成分的非正弦电压，致使一些敏感设备无法正常工作。
目前，谐波问题已经受到全世界的广泛重视，解决谐波问题已经迫在眉睫。
3、谐波的危害：
主要表现在以下几个方面：
1、谐波使企业电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网、输电及用电设备的使用效率，增加电网线损。
在三相四线制系统中，零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流，造成零线过热。
2、谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。
3、如果电网中装有补偿电容器，谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或是串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连的电抗器、电阻器的损坏。
4、谐波会引起企业中一些敏感的自动化设备误动作，同时也会导致电气测量仪表计量不准确。
5、谐波会对附近系统的信号传输产生干扰，轻者引入噪声，重者导致信号丢失，使系统无法正常工作。
谐波电流对电气设备的危害
1）谐波对供电变压器的影响
谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗，温升增加，出力下降，影响绝缘寿命。
2）谐波对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗，其次产生机械振动，噪声和谐波过电压。
3）谐波对电缆及并联电容器的影响，当产生谐波放大时，并联电容器，将因过电流及过电压而损坏，严重时将危及整个供电系统的安全运行。
4）谐波对变流装置的影响
交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。
5）谐波对通信产生干扰，使电度计量产生误差。
6）谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。
由以上分析可以看出，变流设备产生的大量谐波电流和无功冲击会对用户本身及电网用电设备造成较严重的电压波动和谐波污染。
这不仅带来运行隐患，威胁电网的安全稳定运行，还会给其他电气设备的运行带来不利影响。
4、谐波治理的必要性：
以上危害，在有些企业中表现的比较突出，而在一些企业中表现的不是很明显，然而谐波危害的隐患依然存在。
特别是在一些自动化程度较高的行业，如果谐波含量超标，会对系统运行的稳定性造成极大的威胁，一旦表现出来，必然造成巨大的损失。
因此，进行谐波治理，非常重要。
首先，它可以提高企业设备的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；
其次，可以减少谐波电流在输配电线路上产生的损耗，同时降低用电设备发热，减少绝缘老化，从而提高设备的使用寿命，减少设备的维护费用；
第三，谐波治理能够减少电网中补偿电容器的谐振机率，同时，减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；
第四，可以减少谐波对公共电网的污染。
5、谐波治理方法：
（1）无源滤波器滤波：
采用电力滤波装置，就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。
由电力电容器、电抗器和电阻器，适当组合而组成的无源滤波装置，进行滤波，这种方法称为无源滤波。
工作原理如下图所示：
无源滤波器对某一频率的谐波呈低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。
由于无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波器是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。
由于无源滤波器是通过在系统中，为谐波提供一条并联低阻抗的通道，以起到滤波作用，其滤波特性，是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：
⏹滤波特性受系统参数的影响较大；
⏹只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；
⏹滤波的要求和同时需要的无功补偿、调压要求，有时难以协调；
⏹谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；
⏹有效材料消耗多，体积大。
（2）有源滤波器滤波：
由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多功能的特点，其具体特点如下：
⏹滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；
⏹具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
⏹尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。
这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本较高、可靠性比较低，这一点是限制其推广使用的关键。
有源电力滤波器工作原理如下图所示：
通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。
补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得期望的电源电流。
其补偿谐波的等效电路图如下图所示：
从图中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：
只要控制有源电力滤波器的输出电流，使其满足，即可使电网侧的谐波电流。
无源滤波器与有源滤波器比较
说明
无源滤波器（调谐式）
有源滤波器
工作原理
由LC等无源元件組成，设计为在某频率下呈极低阻抗，使谐波电流流入。
其滤波模式为谐波电流旁路。
由电力电子元件组成的设备，检测到负载谐波并产生对应的补偿电流，修补电源电流几乎为正弦波。
其滤波模式为谐波抵消。
谐波阶次处理能力
每一阶次谐波需单独设计一单谐振滤波器。
一部有源滤波器可同时处理多阶次谐波。
对系统阻抗变化的影响
系统阻抗变化时会产生谐波放大共振的危险。
不受影响
频率变化的影响
谐振点偏移，效果降低。
不受影响。
负载增加的影响
可能超载而破坏。
无损坏的危险，若谐波量大于补偿能力仅发生补偿效果不足。
体积
大
小
建议应用有源滤波器的场合
•功率因数高，调谐式滤波器会过补偿，自动投切装置无法投入。
例如：
变频器
•谐波严重（THDi>30%），只能用调谐式或有源滤波治理谐波
•高次谐波严重
•对滤波效果要求高
•还要安装新的谐波源，需要扩容
•中性线消谐
（3）混合有源滤波器滤波：
将有源滤波和无源滤波装置组合在一起，形成混合有源滤波器滤波。
或者，对谐波源，一部分采用有源滤波装置滤波，一部分采用无源滤波装置滤波。
混合有源滤波器工作原理如下图所示：
。
第二篇英博产品
一、安全补偿系统
一）元器件系列
1、UHPC电容器
规范
IEC60831-1+2,EN60831-1+2,
过压范围
+10%（8h/24h）,+15%（30m/24h），20%5m*200times）,+30%（1m*200times）
电压等级
480V,525V
过流范围
2.0In
额定频率
50/60Hz
容值偏差
5%
浪涌电流
250*In
功耗
≤0.25W/KVAR
使用寿命
130，000工时
环境温度
-25/D（maximum55℃）,其它的可按要求定制
冷却
自然冷却
最高海拔
4000米
安全性能
干式技术\压敏断路技术\自愈技术
罐体
纯铝
介质
聚炳烯膜
充填
高纯惰性气体（非SF6,非PCB）
2、低压滤波电抗器
IN-POWER设计的低压滤波电抗器，采用国际优质的钢材与世界领先的绝缘材料，加以创新的组装、卷制、焊接工艺，属于国际电抗器品质的领跑者。
低压滤波电抗器具有如下优势：
1）选用优质硅钢片，铁心损耗小、磁密度高、结构紧凑，比同类产品体积减少40%，噪音低。
2）专业结构设计，内置散热通道，内置温度保护开关。
3）电抗器的引出端子采用国际最先进的冷压焊接，焊接更牢固，接触电阻更小，焊接点更美观。
3、软磁电抗器
1）特点
大功率、工作频率范围宽、低损耗、低温升、低噪声、无电磁污染、结构紧凑、体积小重量轻、结构设计安装简单、免维护。
2）性能、参数
*温升小于50K
*噪音小，不超过25分贝
*低能耗：
额定频率内功率密度<3.5W/kg
*频率50–50kHz电流：
5—1200A
*体积小重量轻，较硅钢片体积小30%以上
*磁芯外壳绝缘电阻高，强度高，阻燃
*接线端子的位置在单面，便于一侧接线
*3个单相电抗器并列排布成三相，相间无干扰，无电磁耦合，无漏磁（EMC/EMI）
*紧凑型结构，安装简单方便，使用单螺栓固定
*对安装方向和角度无限制
*u值恒导磁特性好，线性度区域长，不易饱合
3）INPMP®大功率金属软磁电抗器优点在于
Ø柜内空间布局比传统电抗器小20~30%以上，重量尺寸上占有绝对优势
Ø损耗比传统电抗器低几个数量级，有绝对优势
Ø温升低，对传统硅钢片电抗器小很多，占有绝对优势
Ø噪音是传统硅钢片与非晶带电抗器无法比较的，占绝对优势
Ø电感线性度区域比硅钢片非晶占有绝对优势
Ø无漏磁、屏蔽性比传统硅钢片非晶电抗器占有绝对优势
Ø结构设计灵活多变，安装方便简单，占有绝对优势
Ø高绝缘、高阻燃是传统铁心、非晶电抗器不具备的特性
Ø大电流高频率适用范围50Hz—50kHz占有绝对优势
4、高压滤波电抗器
IN-POWER设计的高压滤波电抗器，采用国际先进的高压绕制设备，精度控制在10微米（0.01mm）以内,高压滤波电抗器采用高压线包多段式工艺，使得体积与温度都较国内相同容量产品要小20%，发热量要小很多，属国内首例采用多段式高压电抗器系列。
高压滤波电抗器具有如下优势：
1）高压滤波电抗器在多风道的作用下，散热效果好。
2）绝缘材料使用的也是国际先进的NOMEX纸，耐热温度在220℃以上。
3）整体线包采用箔材绕制，单线圈一绕到底的工艺，线包段间没有接头，较国内同类产品减少了很多安全隐患，抗短路能力要比国内线绕制的要高很多。
4）电抗器结构设计合理，磁阻进行了合理的分布，减少了在恶劣环境以及在过载情况下产生漏磁集中，造成对外部的设备的干扰及局部过热问题，提高了电抗器的平均使用电气寿命。
5、补偿控制器
IN-POWER设计的补偿控制器采用全数字化设计，交流采样，人机界面采用大屏幕LCD液晶显示器，可以实现三相共补和分补混合补偿。
补偿控制器具有如下优势：
⏹图形化LCD显示，可实时显示系统参数，投切状态。
⏹
可控制接触器或晶闸管投切，可混合投切，最多输出12路控制。
⏹全自动C/K值设定，自适应，变步长控制，自动优化电容器投切。
⏹四象限操作
⏹可分别设定放电时间，允许快速投切。
⏹2-31次谐波检测
二）低压安全滤波补偿模块
IN-POWER设计的低压安全滤波补偿模块采用模块化设计，将滤波电容器、滤波电抗器、投切装置、熔断器隔离开关集成在标准模块上，散热设计合理，结构紧凑，适合多种低压柜型。
低压安全滤波补偿模块具有如下优势：
⏹有效抑制谐波，同时提高功率因数。
⏹专业结构设计，充分考虑散热，结构紧凑。
采用垂直母线连接，可适合各种低压配电柜结构，安装、检修方便，易于维护。
三）低压安全补偿系列
IN-POWER设计的低压安全滤波补偿成套装置采用模块化设计，保证了装置内部的合理布置；提高运行可靠性。
并可以实现补偿无功和抑制谐波功能，降耗节能。
低压安全滤波补偿成套装置具有如下优势：
⏹采用专用滤波电容器和滤波电抗器，有效抑制谐波，同时提高功率因数。
响应速度快，可分相、线性、快速补偿无功和谐波。
⏹解决了纯电容补偿装置容易与系统谐振的问题，提高设备可靠性，降低对系统的危害。
⏹采用模块化设计，结构紧凑，占地面积小，散热效果好，提高设备稳定性。
⏹维护、检修方便。
功能：
无功动态补偿，使功率因数达标，避免供电公司利率电费罚款；
◆可串联适配电抗器，有效抑制谐波，延长电容器寿命，提高供电安全，改善电能质量；
◆提高设备（变压器、线路）利用率，通过补偿无功与谐波抑制，使总供电电流下降；
◆有效支撑负荷端电压，加强系统电压稳定性；
◆降损节能
应用场合
IN-POWER智能安全系列：
分别采用接触器、可控硅的智能型自动无功补偿装置，根据应用场合串7%、或者串14%的电抗器，用于一般的工业、商业、民用配电系统，以提高功率因数。
IN-POWER智能安全补偿系列装置根据开关选择分为四大类：
MVGS-C智能安全补偿装置：
采用接触器投切带串联电抗器的组件式电容补偿单元
MVGS-T智能安全补偿装置：
采用接触器投切带串联电抗器的组件式电容补偿单元
MVKS型智能安全补偿装置：
采用接触器投切带串联电抗器的模块化电容补偿单元
MVTS型智能安全补偿装置：
采用可控硅投切带串联电抗器的模块化电容补偿单元
二、滤波补偿系统
一）智能有源补偿系列
IN-POWER设计的智能有源补偿系列产品是基于IGBT型换流器的最新有源型补偿装置，性能优异，无功与谐波的补偿精度高、响应速度快。
产品采用柜式结构，内部包括连接电抗器、基于IGBT的换流单元、全数字控制单元、以及可能的并联无源LC滤波器等。
智能有源补偿全系列产品都基于BLUEWAVE核心模块构建，德国品质，可靠性高。
尤其是基于BLUEWAVE模块构建的LSVG产品，将有源型补偿的优异
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