无功补偿及谐波治理

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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方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20 世纪 20 年代和 30 年代就引起了人们的注意。 当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945 年 J.C.Read 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。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

2、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，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

3、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

4、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，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

5、，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

6、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。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。无功补偿的原理无功补偿，补偿的是系统提供的无功分量。一般情况下， 电力公司或者电力局对某个工矿企业进行功率因数的考察，要求该企业的功率因数要达到0.9 或者0.95 以上之类。功率因数高于0.9 或者 0.95 时，对该企业的用电有优惠价格，

7、如果低于该数值的， 就要进行罚款。 那么这个考核点在什么地方呢？一般都是在变压器的二次侧。打个比方，电力系统接入工矿企业的是10KV/400V的变压器，或者 35KV/10KV的变压器，对于功率因数的考核点，前者是在400V侧，后者是在 10KV侧。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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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正如前文所说， 国家标准的要求也罢， 企业自身的需求也罢， 都开始逐渐对无功补偿装置的装备提出了一定的要求。但是在实际应用中， 很多企业的无功补偿装置应用之后经常出现电容器烧毁、跳闸等各种问题。 究其原因， 在给企业提供了无功功率的同时， 对无功补偿装置本身未进行保护或者保护措施不当都会导致无功补偿装置问题的出现。 无功补偿装置的核心部件是电容器，电容器本身的选型要根据用户自身所需求的功率因数来确定，并不是说功率因数越高越好。 因为当无功功率补偿到一定量，

13、 比如 P.F. 达到 0.95 之后， 要提高功率因数到 0.96 ，所需要投入的无功设备其价值远远超过功率因数提高0.01 所能够为企业带来的电费优惠、 用电节省的价值， 此时从企业角度而言， 投入产出比显然不符合企业经济上的需求。 同时，由于电容器补偿都有其单体大小的限制，同样的容量单体容量大的比单体容量小的要价格便宜，这就使得生产厂家推荐、 用户接受的趋向于大容量化电容器。 带来的问题在于单体容量大时， 投入补偿的每段容量也随之增大，当补偿容量超过系统所需无功时，可能会造成过补的情况。扯的有点远，回到正题上。 从实际应用而言， 对无功补偿装置来说， 电容器受到影响造成的装置失效或损害是

14、无功补偿设备出现问题最可能的原因。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，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

15、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

16、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，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