无功补偿中的谐波问题及实例分析

1、右公川电网和企业电网中，无功电流是不希望出现的。它会加重发电机、输电线路和变压器的负荷， 产生损耗，影响输配电系统的经济性。随着hvdc技术、facts技术应用的不断拓展，典烈的无功负载 除了传统的界步电动机、变压器、放电灯、裸导线以外，还包括调节运行的变流器产生的换向无功功率、 控制无功功率和畸变无功功率等。在最佳补偿情况下，电网只输送冇功功率，使电网的输电能力得到捉高。 为了保证电网的输电经济性，我国全国供用电准则规定了各级各类电力用户应达到的功率因数值。因 为同步电机的使用场合有限，提高功率因数通常采川并联电容器方式。谐波含量逐渐递期是一共同的明显趋势，这与用电负荷中大量使用非线性负载和

2、设备有着直接的关系。 非线性设备主要是晶闸管或二极管整流器等，这些电力电子装置将导致电网屮的的电力品质下降。比如变 速驱动装登（vsd）、不间断电源（ups）、变频器等。2谐波危害对变压器而言，谐波电流危害主要体现在以下儿方血：谐波电流导致铜损和杂散损增加，谐波电压 则会增加铁损；谐波导致变压器的温升提高；导致变压器噪声增加。这些山谐波所引起的额外损失将 与电流和频率的平方成比例上升,进而导致变圧器的基波负载容量下降。为非线性负载选择变斥器额定容 量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。在线路屮，与俱冇相同均方根值的纯正弦波电流相比，非正弦波将产生更多的热屋和温升。这两种现

3、 象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应相当于增人导体交流电肌，进而导致损耗增加。谐波电流和电压对感应电动机及同步电动机的主要损害在于：谐波频率下铁损和铜损的増加，引起额 外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时， 其扭动转矩的输出将影响产品的质量。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。如五次和七次这种谐波源，在发电机或电 动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，将发生共振 并产生很大的机械应力，导致机械故障。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改

4、变-个相间电压高于另一个相间电压的位置点。控制系统对 这两点（电压过零点与电压位置点）的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容 性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，如可编程逻辑控制器（plc）,通常 要求总谐波电压畸变率（thd）小于5%,英至低于3%。3电容器补偿中的谐波问题电容器与贰它设备相比较有很大区别，其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。电容器 组容抗随频率升高而降低，起到吸收高次谐波电流的作用。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流， 增加电容器的负担。由谐波引起的发热和电压升高意味着电容器使用寿命的缩短。无功补偿中大杲投入电容

5、器组时，必需考虑的因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电 压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。3. 1谐波与并联谐振图1为典型的并联谐振电路。谐波电流经电容器纽电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到 1015倍。被放大z谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。须注意的是，在相同电流幅值条件下高 频谐波电流所造成z损失要高于基波频率电流。3. 2谐波与串联谐振在上一级电网系统电压发生波形畸变的情况下，由电容器组电容和供电变压器电感形成的串联谐振回 路会吸引高次谐波电流流入电容器，串联谐振可导致徃变压器的低压侧出现高的波形畸变。图2为典型串 联谐振回路。图1并联

6、谕按回胡曲11k v i somva 50hz400vi i电龙綿加图2止战话折回路4无功补偿中的谐波处理若有非线性负载连接到母线上，而又需要徃母线上连接电容器组作无功功率补偿系统时，一定要避免 在系统屮产生并联或串联谐振。然而，只要把不带电抗器的电容器组连到此母线上，就会出现一特定的并 联和串联谐振频率。如果这一谐振频率与某些谐波频率重合，谐波电流和谐波电压就会被明显放人。这时， 可采用滤波或调谐式电容器纟f1。典型的滤波电容器组设？?五次、七次、十一次谐波等3个滤波分支路。滤波分支路的数量取决于要吸 收的谐波量和要补偿的无功量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变限制和丨i标功

7、率因 数。根据ieee519-1992标准，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%。在没有谐波量限制的地方，可以使用调谐式电容器组。但此时，谐波的主要成份都注入到上级电网。 所需组数収决于负载功率因数和h标功率因数。设计调谐式电容器组时，通常须给出电压畸变限制值。设 计中，还要考虑电抗器饮芯的线性度，使其涌流时以及在额定电压畸变情况下不会出现饱和状态。如果不 知道负载状况，通常采用额定电压高于系统电压的电容器组。使用较高额定电压的电容器则在将來负载会 产生谐波时，仅须增设电抗器而不须更换电容器组。当电容器组周围温度叮能会超出其允许的最筒温度上限值时，在电容器配电盘内加设冷却风扇。在采 用调谐

8、式或滤波电抗器的地方，则使用强迫冷却方式。与电容器组相比，电抗器会产空更大的热鼠。5无功谐波补偿举例在某大型写字楼内，许多连接在不断电电源设备（ups）变压器口动功率i人1数控制电容器组内过热而 损坏。结构如图3所示。图3 示例系统接线图表1屮是测得的供电变压器基波和谐波电流以及电压的总谐波畸变率（thd）。从表1可知，当两段 50kvar投入后出现严重的并联谐振,将30a的卜一次谐波电流放大到183a,同时电压的thd值也增加 到 19. 6%。«1 测点1检测结果谐波次数发送电流（a）0 kvar50 kvar100 kvar160053851251081174591130622

9、8313691417282电压谐 波畸变率3.8%5.9%19.6%农2为电容器组电流的测量结果。当2段50kvar电容器组投入，电容器上电流的有效（rms）是3 64a,相当于2. 5倍的额宦电流流经电容器，而电容器的容许电流是额定电流的13倍。» 2 测点2的检测结果谐波次数电容器组电淤“)so kvar100 kvar170142541172411363271316691793电流83364因为从谐波测最结果小可确认在供电系统小存有谐振现象.因此匝新设计了无功补偿系统，并决定使 用带7%电抗器的调谐式电容器组。表3为投入帯7%电抗的新电容器组后，供电系统电流和电压thd的测量结果。装上调谐电容器组后， 无论投入儿段皆可避免谐振，而口也不会放大任何谐波电流。表3谐波次数发送电aua>okv丽50 kvar100 kvar17737356915131720