无功补偿及谐波治理

1、无功补偿及谐波治理何为谐波？“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析的到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低

2、，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波抑制为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又

3、可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。无功补偿人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功补偿和对谐波无功功率的补偿。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说

4、，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。无功补偿的作用主要有以下几点：（1） 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置

5、动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。（3） 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。无功功率有何影响无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：(1)降低发电机有功功率的输出。(2)降低输、变电设备的供电能力。(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。为什么要进行无功补偿？从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要

6、装设无功补偿装置的道理。无功补偿的原理从企业的角度看，企业的生产设备、照明设备等各类电力设备，它们所需要的功率因数是一定的，并不因为使用环境的变化而发生变化。打个比方，某个机床，它的额定功率是3KW，功率因数是0.7。那么简单理解起来，无论它放在什么环境下，它的输出功率（或者说视在功率）都是3KW，功率因数都是0.7，也就是说它的有功功率都是2100KW。当然因为系统电压或者电流的波动视在功率可能会有些变化，我们为了分析的简便，就使用电压不变的情况来进行分析。对于企业来说，它的总视在功率是不变的，功率因数也是不变的，它的有功功率也是不变的。也就是说， P是不变的。变化的是无功功率Q。实际上对于

7、企业来说，它的无功功率Q也是不变的，只不过原来都是由电力系统来提供，现在则有一部分由企业自行装备的电容器来提供。当企业增加了补偿装置后，由于运行设备所需要的无功有一部分由QC来提供了，也就是说从电力系统的考核点来看，它提供的Q减少了。因此电力系统提供的视在功率S也减小了，对应的功率因数=P/S也就提高了。那么对于企业而言，进行无功补偿有哪些具体的好处呢？首先，是提高了功率因数，获得优惠电费价格，至少可以避免被电力局罚款；其次，降低了用电量，由于供电局对企业进行计费的是视在功率，企业用电设备相同，而由电网提供的视在功率减少，也为企业节省了电费；第三，降低了视在电流，这个也很好理解，系统电压一定的

8、情况下，视在功率的减小，也就意味着视在电流的减小；第四，提高了变压器的使用裕度；第五，提高了电网电压。正是因为上述的原因，对于企业而言，进行无功补偿是相对直接的经济效益的。谐波的概念、产生源和危害电力系统中除基本波(50/60Hz)外，任一周期性之讯号，都称为谐波。谐波种类：主要分为整数谐波如2nd, 3rd, 4th，整数谐波又分为偶次谐波如2nd, 4th, 6th和奇次谐波如3rd, 5th, 7th；非整数谐波如2.3th, 5.6th等；次级谐波指阶数小于1的谐波。产生谐波的设备，如整流器：可以将交流电源通过电力电子模组转变为直流电，在此过程中就会产生谐波,如我们现在大量使用的直流电

9、机，UPS，电镀、电池充电机设备另外一种比较普遍使用的又会产生谐波的设备是变频器，通过改变频率的方式来调整电动机的转速，其工作架构中实际上也是含有整流模块的，也会产生谐波。产生谐波的设备有很多种，基本上是不胜枚举的，简单地理解起来通过整流模块将交流电转换为直流电的过程中就会产生谐波，而根据整流模块中晶闸管或者二极管的数量可以计算出负荷产生的谐波阶次。我们现在一般谈到谐波治理，一般工厂内都要求治理5次、7次、11次、13次谐波，都是基于大量使用的六脉冲整流设备而言的。谐波可能对整个电力系统产生很大甚至是灾难性的危害，举例来说。比如对变压器，谐波电流会增加变压器的铜损和漏磁损，谐波电压会增加变压器

10、的铁损，谐波会增加变压器的工作噪音和温升等；比如对电缆，谐波电流可能造成线路过载过热，损害导体绝缘体，同时高频谐波可能造成集肤效应降低电缆的额定载流；又比如对控制系统，谐波电流会造成电压畸变，导致电压过零点漂移，改变了线电压之间的位置点，使得控制系统判断错误，误操作等；对于无功补偿的电容器，谐波电流可能造成电容器的过电流，造成系统的并联谐振、串联谐振，快速放大谐波电流、电压，造成电容器故障。谐波和无功补偿装置的关系笔者来分析一下单纯使用电容器补偿时，系统可能会发生的一些情况。1 电容器过电流当系统负载产生谐波时，其等效电路相当于定电流源的变压器、电容器并联电路。随着谐波阶次的增加，从阻抗来说，

11、变压器阻抗越来越大而电容器阻抗越来越小。谐波分流时流入电容器的也就越来越多。由于电容器投入运行时的特点是满负荷运行，考虑到谐波分流的影响，电容器投入运行时的电流超过了额定电流，当谐波电流加上电容器满载电流的数值超过电容器额定电流的1.3倍时，电容器将迅速发生故障。即使达不到额定电流的1.3倍，长期运行在超过额定电流的情况下，电容器的使用寿命也将大大减少，造成电容器的衰减，对系统无功补偿效果影响巨大。2 系统并联谐振同样类似1中所讨论的定电流源的并联电路，一般而言，在基波情况下，变压器阻抗是非常小的，电容器阻抗相对较大。随着系统频率的升高，变压器的阻抗将不断增大，电容器阻抗不断减小，在某个频率点

12、时，将出现变压器阻抗与电容器阻抗相等的情况。在此情况下，系统阻抗将无限增大，由于是定电流源，对于电容器而已，系统电压也将无限增大，造成电容器的过电压，电容器迅速损坏。当然这个频率点也就是我们通常说的系统谐振点，并不一定刚好就是系统谐波的频率点，比如系统中有5次，7次谐波，系统谐振点可能是在265HZ，看起来不会造成并联谐振，但是在靠近系统谐振点的位置，5次的谐波也会被迅速放大，其影响通过计算可以得知也是非常大的，可能会将5次谐波放大7倍甚至10倍以上。3 系统串联谐振有人说，我们工厂使用的都是线性设备，我们没有谐波源的存在，所以在进行无功补偿时不需要考虑谐振问题。问题是即使工厂自身不产生谐波，

13、其上级电网中也有非常大的可能性会存在谐波电流（为什么？因为不太可能是专线，同条母线上其它的用户会有谐波向上级电网排放）。此时企业的变压器、电容器与上级电网就等效形成了一个定电压源的串联电路。如前所述，当频率不断增大时，变压器阻抗不断增大，电容器阻抗不断减小，当某一频率时，变压器阻抗与电容器阻抗相等，一个是感性的，一个是容性的，数值相等方向相反，造成系统短路，此时对电容器而言，谐波电流无限大，将造成电容器击穿。同样的，系统谐振点位置并不一定完全等同于系统谐波分流的频率，但是只要系统谐振点与系统谐波分流的频率接近时，谐波分流将迅速放大，造成电容器过电流。正是因为上述的一些问题的存在，所以就无功补偿

14、而言，单纯的使用电容器组来作为无功补偿是非常危险的，所以个人觉得，不少的电容器厂商和企业谈补偿的时候只卖电容器组，不谈其它内容是很不负责的做法。现在通用的对无功补偿装置进行保护的做法是在电容器组前串联电抗器。当电抗器串联上后，由于电抗器是感性的，电容器是容性的，随着频率的增加，电抗器阻抗增加，电容器阻抗减小，电抗电容器组的总阻抗不断降低。通过设置电抗器的特性，可以根据系统需求目的的不同设置成谐波滤波器组、调谐电容器组等各种不同的电抗电容器组。在这里需要提出的是，根据笔者的经验，由于生产工艺或者现场量测的情况，也不一定是所有的电容电抗器组都是很安全的。比如说，某企业设计出一个谐波滤波器，目的是要

15、吸收7次谐波。但是由于生产工艺不合格或者选型不合理，谐波滤波器的谐振点应该设置在349HZ的，变成了360HZ，吸收效果就会大打折扣。也可能该系统中量测时没有满载运行，实际系统中也存在大量的5次谐波，那么对这个谐波滤波装置而言也是效果比较差甚至存在一定危险的。具体的分析后面会继续探讨。调谐电容器组与谐波滤波电容器组在笔者最近接触的一些项目中，遇到了一些有意思的问题，实际上也反映了当前终端用户对于无功补偿情况下加装电抗器的目的不明确的现象。结合这些问题，笔者将把调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别加以分析，有兴趣的朋友可以一起来探讨一下。为了分析方便，我们假定系统状态为1000KVA,10KV/

16、0.4KV，5%的变压器，未投入电容器组前的功率因数为0.6，二次侧的系统电流1200A。现在用户希望加装无功补偿电容器组，以达到功率因数0.9的目的。我们首先考虑需要补偿的电容器组的容量问题。系统的总输出功率为1.732UI=831KW，有功功率为0.6x831=499KW，当考察点的功率因数提高到0.9时，需要补偿的无功功率为423Kvar。假定用户采购了400V480Kvar的电容器组。如果由于该系统负载会产生谐波电流，并且以5次为主，切除电容器组后测量的谐波总畸变率为22%，其中5次谐波的电流总畸变率为20%。那么这个时候单独安装电容器组就可能存在谐波放大的危险。计算变压器的阻抗为X1

17、=400x400/1000000x0.05=0.008欧姆，电容器组的阻抗X2=400x400/480000=0.333欧姆，对应5次谐波情况下的变压器阻抗为0.04欧姆，电容器阻抗为0.067欧姆。由于电容器的阻抗是容性的，变压器阻抗是感性的，在计算时两个阻抗需要取不同的正负号。考虑到5次谐波电流总畸变率20%，基波电流1200A，5次谐波电流值为240A。此时流入电容器组的电流为355A，流入变压器的电流为595A。可见由于单独的使用电容器组进行无功补偿，实际上放大了5次谐波电流。此时，用户提出了这样的一个要求，我们来对现有电容器组进行一下改造吧，防止谐波电流放大，吸收5次谐波，降低谐波危

18、害。问题是这样的要求，通过一个技术改造能够完全实现吗？这就涉及到调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别了。从设计目的上说，调谐电容器组的主要目的还是在于实现系统无功补偿的目的，而谐波滤波电容器组的主要目的在于吸收系统谐波。根据两者的设计目的的不同，加装的电抗器也有所不同。从调谐电容器组来说，当前一般常见的电抗器有6%、7%、14.8%的电抗器，这里的各个数值都是针对着电容器组的阻抗而言的，通过计算，我们可以得到这些调谐电容器组的系统谐振频率在201Hz/189Hz/130Hz。由于随着系统频率的不断升高，调谐电容器组的电抗值不断增大而电容值不断减少，当系统频率高于调谐频率之后，整个的调谐电容器组的阻抗呈现感性特征，也就不会与变压器形成谐振，从而避免了谐波电流经过谐振放大的可能。换个角度说，6%、7%、14.8%的电抗器依次针对的是系统的5次、4次与3次谐波情况。而从谐波滤波电容器组的设计来说，它的最大目的是要尽可能的吸收系统谐波，比如我们这个案例中的5次谐波，频率是250Hz，为了达到