工业系统的无功补偿及谐波抑制

叶念国

一、电能质量

理想的电力系统向用户提供的电能应是具有恒定的50Hz频率、纯正的正弦波形及维持规定水平的电压。对三相交流电力系统还应保证三相电压、电流幅值相等。相位互差120°的对称状态。

由于电力系统的大量设备如发电机、变压器、输电线路、电动机是非线性且不完全三相对称的，加之负荷不停的在变化，进而导致出现电压波动、频率波动、波形畸变、三相不平衡以及出现电压闪变。也就是说电能质量受到了影响。

现代电力系统的用电负荷已不再是数十年前以白炽灯负荷为主的结构，而是出现了大量诸如半导体整流器、晶闸管调压、变频器、电弧炉炼钢、电气铁路等非线性、冲击性的不平衡负荷，给电能质量造成了严重的干扰和污染。

二、恶劣电能质量对电力系统的危害

1、短时供电中断或电压跌落可导致生产混乱、产品报废、危害人身安全；

2、变压器、电容器、电缆线路等投切引起的谐振和过电压将造成设备损坏；

3、谐波和负序电压引起继电器保护误动，造成大面积停电；

4、谐波电流在电动机、变压器、输电线路中流动，将因产生的附加损耗使设备过热，降低设备容量及使用寿命；

5、谐波电压可能与电容器组形成谐振，导致电容器组过负荷、过电压，甚至烧毁；

6、电压和频率的波动导致电动机转速及功率的变化，使传动机械效率降低，并产生废品。

三、提高电能质量从何处下手

电能从生产到使用是一个整体，电力系统发电、输电、用电始终处于动态平衡中，发、输、用每个环节的工况都对电能质量产生影响。因而提高电能质量要从各个环节下手。例如合理改造电网结构、通过自动调频和调压手段保持有功功率和无功功率的平衡，在用电设备安装处合理配置滤波和无功补偿装置，以及提高运行调度的自动化水平等。

实际上，电能质量指标对给定值的偏差是不可避免的，因而应建立相应的标准，适当确定电能质量的允许偏差。允许偏差的确定原则是：

1、  保证电力系统的安全、连续及经济运行；

2、  保证用户电气设备的正常用电和安全。

我国国家技术监督局相继制订了：GB12325-90《供电电压允许偏差》；GB12326-2000《电压波动和闪变》；GB/T14549-93《公用电网谐波》；GB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》；GB/T15N5-1995《电力系统频率允许偏差》等国家电能质量系列标准。

 

四、谐波的基本概念与抑制

由于电力系统中非线性负荷快速增长，例如半导体整流器、变频器、电弧炉炼钢、电气铁路等与日俱增，从而导致电压及电流的波形失真，即不再是正弦波。法国数学家付里叶1822年提出：任何周期为T的重复函数，均可分解为一个正弦基波及一系列的各个频率的正弦形谐波，这些谐波分量的频率都是基波频率的整倍数。这一理论为对波形相对正弦波畸变的函数的分析和计算带来了极大的便利，从而为解决非线性负荷引起电压、电流波形畸变而出现的谐波问题提供了理论依据，人们可以用针对正弦函数的计算方法解决谐波问题。

下图为对一个畸变的波形的分析示意图，图中画出了一个原始频率50周的畸变波形及其基波、5次谐波和7次谐波。

清除谐波影响的常用方法是使用无源电力谐波滤波器，即通过选择电容C、电感L及电阻R的参数，使其对某次谐波具有最小的阻抗，如下图的标有L₅、L₇、L₁₁的支路分别用以滤除五次、七次和十一次谐波。开关B₁、B₂、B₃受控于控制器，根据谐波变化实施滤波器投切。为了延长开关寿命、减少干扰，B₁、B₂、B₃常用大功率晶闸管完成投切工作。根据使用环境的不同，滤波器可根据实际情况设计为带通滤波器、双调谐滤波器或高通滤波器。

在某些应用场合，例如输电线路也可采用有源谐波滤波器。滤波器串联在输电线路中，根据对输电线路电压和电流的谐波测量数据快速注入与相应的谐波频率、幅值相同但相位相反的电流到线路中，抵消原来线路中的谐波干扰。显然，这一技术有赖于高精度的测量及带预测功能的快速的执行。

我国国家标准给出了公用电网谐波电压限制值，如下表：

 

电网标准电压	电压总谐波畸变率	各次谐波电压含有率%
KV	%	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

 

对于谐波可以用频率,次数及相序来表示，如下表：

 

次数	基波	二次	三次	四次	五次	六次	七次	八次
频率Hz	50	100	150	200	250	300	350	40
相序	正序	负序	零序	正序	负序	零序	正序	负序

提示人们注意负序和零序谐波对电气设备，特别是是旋转电机的危害。

 

五、无功补偿（SVC）

1、  有功功率（P）和视在功率（W）

对纯电阻负载，电路的功率P=I²R是有功的，但在有电抗（容抗或感抗）的电路中，由发电机提供的电流则超前或滞后电压，此时电压与电流的乘积并不代表发电机产生的有功功率，因当电流过零时，还有一定值的电压，如右图。

我们将电流和电压的乘积称为视在功率（W=VI），其中包含有功功率P和无功功率Q。功率因数是有功功率与视在功率的比值。即，显然，此时<1。是电压与电流间的相位差。

可以粗略地说有功功率是有用的（作功），无功功率是无用的（事实上没有无功功率很多电气设备无法工作），如果视在功率在输电线路传输，其所含有功功率和无功功率都会造成线路功率损耗。显然，传输无功功率的损耗白白地消耗了电能。

2、  无功补偿

为了避免传输无功功率在线路上造成的损耗，可以在电气设备工作地点就地进行无功补偿，即不要以增加线路损耗为代价从远方获取无功功率。由于大部份电气设备都是电感性的，因此，在电气设备就地并联适当电容就可以补偿需要的无功功率，如下图：

应该指出当电网中的谐波水平较高时，可能诱发电气设备的感抗与补偿电容对某次谐波形成谐振，从而产生过电压损坏设备，包括损坏补偿电容器。因此在电网有非线性负载时，要注意补偿电容的投入所产生的效果。

进行无功补偿本质上是提高功率因数，功率因数是比较消耗有功功率（千瓦）和负荷视在功率（千伏安）的比例，对于纯电阻负荷=1。由于无功功率占用了系统的电量，但却不直接作功，同时还降低了发电机的效率，所以供电局将因此收取额外的费用，收取费用的数量取决于功率因数。有的供电局则直接按无功功率电度收费。所以电力用户在负荷引入电源的进线处配置无功补偿电容器或无功调节器。

 

作者简介：

叶念国  男  教授  长期从事电力系统自动化的教学研究工作  深圳市政府科技顾问，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市智能设备开发有限公司董事长，深圳市国立智能电力科技有限公司董事长。