諧波的治理以及無功功率的補償

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1、諧波的治理以及無功功率的補償 一、諧波的來源 “諧波”一詞起源于聲學。 電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20世紀 20年代和 30 年代就引起了人們的注意。當時在德 國，由于使 用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸 變。 1945年 J.C.Read發(fā)表的有關變流器諧波的論 文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文。 二、諧波的定義 定義：諧波是指電流中所含有的頻率為基波 的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電 量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電 流產(chǎn)生的電量。 產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負 載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負 載有 UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器

2、等。 三、諧波的分類 諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率， 幅度與相角。 諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù) 學家傅立葉 (M Fourier)分析原理證明，任何重 復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為 基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。 根據(jù)諧波頻率的不同，可以分為： 3.1、奇次諧波 額定頻率為基波頻率奇數(shù)倍的諧波，被稱為“奇次 波”，如 3、 5、 7次諧波； 3.2、偶次諧波 額定頻率為基波頻率偶數(shù)倍的諧波，被稱為“偶次諧波”， 如 2、 4、 6、 8次諧波。 一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。 在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經(jīng)被 消除了，只有奇次

3、諧波存在。對于三相整流負載，出現(xiàn)的 諧波電流是 6n 1次諧波，例如 5、 7、 11、 13、 17、 19等。 變頻器主要產(chǎn)生 5、 7次諧波。 四 、諧波的危害 1、高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相 同頻率的諧波電壓和諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率 和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加線路損耗，浪費電 網(wǎng)容量。 2、影響供電系統(tǒng)的無功補償設備，諧波注入電網(wǎng)時容易造 成變電站高壓電容過電流和過負荷，在諧波場合下，電容 柜無法正常投切，更嚴重的請況下，電容柜會將電網(wǎng)諧波 進一步放大。 3、影響設備的穩(wěn)定性，尤其是對繼電保護裝置，危害特大。 4、諧波的存在會造成異步電動機效率下

4、降，噪聲增大；使 低壓開關設備產(chǎn)生誤動作；對工業(yè)企業(yè)自動化的正常通訊 造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性。 5、諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影 響變壓器的使用容量和使用效率；還會 造成變壓器噪聲 增加，縮短變壓器的使用壽命。 五、國內治理諧波污染的幾種方法 目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波、有源濾波 及無功補償。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。 5.1、無源諧波濾除裝置 無源濾波器的主要結構是用電感器與電容器串聯(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

5、次諧振點上，達到濾除這 3次諧波的目的。 5.1.1、無源濾波裝置的優(yōu)點 無源濾波裝置的生產(chǎn)成本較低，吸收高次諧波，而所有濾波支路 對基波呈現(xiàn)容性，正好滿足無功補償要求，不必另裝并聯(lián)電容器補償 裝置，這種方法經(jīng)濟、簡便，國內外廣泛采用。 5.1.2、無源濾波裝置的缺點 無源濾波裝置濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與 系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。 5.1.3、無源濾波裝置的現(xiàn)狀 現(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

6、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，其市場的前景 可觀，經(jīng)濟效益也就可觀了。 5.2、有源諧波濾除裝置 有源諧波濾除裝置是在無源濾波裝置的基礎上發(fā)展起 來的。 5.2.1、有源濾波裝置的優(yōu)點 有源濾波裝置能做到適時補償，且不增加電網(wǎng)的容性元件，濾波 效果好，在其額定的無功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。 5.2

7、.2、有源濾波裝置的缺點 有源濾波裝置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。 5.2.3、有源濾波裝置的原理 有源濾波裝置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。 5.2.4、有源濾波裝置的適用場合 有源濾波器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)。 5.2.5、有源濾波裝置的現(xiàn)狀 對單臺的有源濾波裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶 一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干 凈，只要

8、不危害其他用電器也就可以了 。 5.3、無功補償 人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無 功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的 概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無 功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無 功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基 波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。 5.3.1、諧波和無功功率的產(chǎn)生 在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。 異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異 步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的 無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空 線等也消耗一些無

9、功功率。阻感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所決定的。 電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別 是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調整電 路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要 消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧 波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路 的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消 耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也 消耗一定的無功功率。 近 30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電 力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中， 整流裝置所占的比例最大。目前，常用的

10、整流電路幾乎都 采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相 橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路 所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流 側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。 這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相 同，因而基波功率因數(shù)接近 1。 但其輸入電流的諧波分量 卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。 另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等 電力電子裝置也會在輸入側產(chǎn)生大量的諧波電流。 5.3.2、無功補償概述 無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡元件的阻抗主要是電感性的。因

11、此，粗略地 說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有 一相位差，這在相當寬的范圍內可以實現(xiàn)；而為了輸送無 功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范 圍內實現(xiàn)。 不僅大多數(shù)網(wǎng)絡元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需 要消耗無功功率。 網(wǎng)絡元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡中某個 地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并 經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的 方法應是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，這就 是無功補償。 5.3.3、無功功率的影響 5.3.3.1、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

12、容量增 加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸 和規(guī)格也要加大。 5.3.3.2、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，這是顯而易見的。 5.3.3.3、使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功 功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質量嚴重降 低。 5.3.4、無功補償?shù)淖饔?無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c： 5.3.4.1、提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設備容量， 減少功率損耗。 5.3.4.2、穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質量。在長距 離輸電線中合適的地點設置動態(tài)無功補償裝置還可以改善 輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。 5.3.4.3、在電

13、氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當 的無功補償可以平衡三相的有功及無功負載。 六、諧波污染治理 為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題， 基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波， 這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本 身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為 1， 這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。 目前，治理諧波的主要方法就是在諧波源處安裝濾波 器，就近吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流，現(xiàn)在廣泛采用的濾 波器為無源濾波器。 下面介紹幾種諧波治理及無功補償?shù)姆椒ǎ?6.1、靜止無功補償裝置簡稱 SVC（ Static Var Compensator）

14、 是指沒有運動部件的無功補償裝置。 6.2、 TCR（ Thyristor Controlled Reactor）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，因此往往與并聯(lián)電容器配合使用。并聯(lián)電容 器后，使得總的無功功率為 TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵 消后的凈無功功率。 特點：可連續(xù)調節(jié)補償裝置的無功功率，有諧波產(chǎn)生，一般 與 TSC或 FC濾波器配套使用。 6.3、 TSC（ Thyristor Switched Capacitor）是晶閘管投切 電容器型靜止無功補償裝置。電容器的投切開關為晶閘管。 特點：可斷續(xù)調節(jié)補償裝置的無功功率，無諧波產(chǎn)生，可單 獨使用或與 FC濾波器配套使用。 6.4、 SR(Saturated Reactor）是飽和電抗器，是一種早期 的靜止無功功率補償裝置。 6.5、 TCT（ Thyristor Controlled Transformer）是晶閘管控 制變壓器型靜止無功補償裝置，是 TCR的一種變形。 6.6、 MSC（ Mechanically Switched Capacitor）是機械投切 電容器，電容器的投切開關為機械斷路器。 6.7、 FC(Fixed Capacitor）是固定電容器，一般與電抗器組 合使用，組成多回路 LC濾波器。