電網無功補償與濾波技術

1、26電網無功補償與濾波技術1 無功功率的分類1.1 感性無功功率所有接于單相和三相交流電網，并按電磁感應原理工作的電氣設備，在建立磁場時需要磁化電流，磁化電流（也稱為無功電流）滯后電網電壓90°，不參與能量轉換。感性無功電流會加重發(fā)電機、輸電線路和變壓器的負荷，產生損耗，影響輸配電系統(tǒng)的經濟性。典型的感性無功負載為：· 異步電動機· 變壓器· 放電燈· 裸導線· 調控運行的變流器變流器的感性無功功率又可分為：· 換向無功功率由換向回路電感和負載電流引起。· 控制無功功率在采用移相控制時，由變流器輸出電壓和負載電流產

2、生。· 畸變無功功率由網側非正弦電流產生。變流器的網側電流中含有基波（50Hz）分量和諧波（頻率為基波頻率的整數倍）分量。1.2 容性無功輸出容性無功的設備可以對需要感性無功的設備進行補償，主要有：· 并聯(lián)電容器· 電纜· 過激磁的同步電機· 空載運行的高壓輸電線因為容性無功也會增加輸電系統(tǒng)的負荷并產生損耗，所以對感性負載采取就近補償效果最好。在理想補償情況下，QL- QC=0，電網只輸送有功功率，使其輸電能力得到提高，見圖1。為了保證電網的輸電經濟性，我國全國供用電準則規(guī)定了各級各類電力用戶應達到的功率因數值，有關部門制定了功率因數的獎懲細則

3、，見表1。功率因數的計算：功率因數為有功功率和視在功率的比值：cosj =P/S也可以按電度計算功率因數： 式中：EB無功電度 EW有功電度感性無功功率為：如果選擇電容器功率Qc=QL，則功率因數為1。實際工程中應根據負荷情況和當地供電部門的要求，確定補償后應達到的功率因數值，然后計算電容器安裝容量：Qc=P(tanj1tanj2)因為同步電機的使用場合有限，提高功率因數通常采用并聯(lián)電容器方式。 圖1 在有功功率為常數時，視在功率S和損耗功率Pv與功率因數的關系，參考值1對應cosj=1，p.u=單位值。表1功率因數獎罰表表1-1 按功率因數減免電費表月平均功 率因 數0.850.860.87

4、0.880.890.900.910.920.930.940.950.960.970.980.991.0全部電費的減少()00.51.01.52.02.22.52.73.0表1-2 按功率因數增收電費表平均功率因數0.840.830.820.810.800.790.780.770.760.750.740.730.72增收（）0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5平均功率因數0.710.700.690.680.670.660.650.640.630.620.610.60增收（）7.07.58.08.59.09.5101112131415備注自0.59以下，每

5、降低0.01，增收全部電費22. 無功功率的效應各種負載均會使輸電系統(tǒng)產生損耗，并導致電壓矢量在長線和縱向方向降落，其中長線壓降最有意義，它由阻性分量和感性分量組成。長線電壓降Du按下式計算：式中：S 負載視在功率j 電流電壓相位角（正：感性負載 負：容性負載）R 電網電阻X 電網電抗負載與電網連接處的短路功率在電力系統(tǒng)中，R/X的比值通常較?。s為1：10），所以在進行估算時可以忽略電阻分量，則上式變?yōu)椋篠´sinj對應于負載的無功需量QL。可見電壓降主要由負載吸收的無功功率引起，即：為了減少設備感性無功功率引起的電壓降及損耗，必須通過容性無功功率進行補償。如果將負載的自然功率因數

6、cosj1提高到cosj2，需要補償電容功率為：當被補償的負載停止運行，而電容器繼續(xù)接于電網時，則會出現過補償，相移系數將變?yōu)樨?，極限情況下j=90°，此時由于過補償引起的電壓升高為：當變壓器的副邊接有電容器時，如果忽略電阻分量，電壓升高按下式計算：式中：uk 變壓器短路電壓（%）QC1 變壓器的容性負載SN變壓器額定容量+Du 變壓器副邊電壓升高（%）。一般來講，電容器引起的電壓升高不會達到很嚴重的程度（見圖2）。圖2 接有感性和容性負荷的電網等效圖3 電網中不含諧波情況下的無功補償3.1單機補償單機補償主要用于長時間運行的大功率負載，補償電容器直接和負載并聯(lián)，與負載同時投入和切除

7、，感性和容性電流相互補償的路徑最短。單獨補償時電容器可以不用開關或熔斷器，但是連接導線的截面應按最小短路電流值選取。在對異步電機進行固定補償時，補償容量不得大于電機的空載無功功率，以避免空載時出現過補償和防止電機停止運行后發(fā)生自激。從安全角度考慮，補償功率不應超過電機空載無功功率的90%，即：式中：I0 電機空載電流（A）U 電機額定工作電壓（V）3.2 變壓器的單獨補償許多情況下需要在變壓器的副邊側安裝固定補償裝置，此時變壓器和補償電容器形成一個相對于上級電網的串聯(lián)諧振回路，見圖3。如果上級電網中有諧波源負荷（晶閘管變流器等），當串聯(lián)諧振頻率和諧波頻率相近或一致時，將會有較大的諧波電流流過變

8、壓器和補償電容組成的串聯(lián)諧振回路，會造成變壓器特別是電容器的過負荷，同時使低壓側電壓波形發(fā)生畸變。當電網中接有音頻控制系統(tǒng)時，變壓器和補償電容的串聯(lián)諧振頻率不得與控制頻率接近，否則會將控制信號短路。變壓器的漏感LT按下式計算：短路阻抗ux為%值；ux=在近似計算時ux»uk。在忽略電網電阻分量的條件下，電網電感LN按下式計算：圖3等效圖中的L和C應按相同電壓等級計算。圖3 變壓器與電容器的串聯(lián)諧振如果供電部門不允許向上級電網輸送容性無功，則變壓器固定補償的容量不得大于變壓器的空載無功功率。如果沒有上述限制，則電容器容量理論上可以按變壓器額定功率計算，以便同時補償負載的無功功率，此時須

9、注意諧振及過補償引起的電壓升高問題（見圖4）。變壓器和電容器的串聯(lián)諧振次數按下式計算：式中： SN 變壓器額定功率uk 變壓器短路電壓（%）QC1變壓器副邊固定補償電容器容量w1 電網額定工頻時的角頻率wr諧振頻率時的角頻率。圖4 低壓并聯(lián)電容器與變壓器的串聯(lián)諧振頻率（在不同補償度QC1/SN和變壓器不同短路電壓情況下）3.3集中補償集中補償主要用于減少甚至完全抵消上級電網向本級電網的無功輸送，通常采取調節(jié)運行方式，無功控制器將功率因數的實際值與給定值進行比較，然后發(fā)出指令，控制電容器支路的投切。低壓無功補償裝置的額定電壓分為400V、525V和660V幾種，電容器支路數可以根據用戶需要確定，

10、通常為8至12支路，并具有不同的容量組合，以適應各種負荷需求。補償裝置采用GGD或PGL等標準殼體，也可以做成抽屜單元式，便于與低壓配電設備并屏，連接方式有母線式和電纜式兩種，電纜接線適用于單獨安裝或與特定設備配套。屏內裝有無功控制器、電容器、串聯(lián)電抗器、開關及接觸器、保護裝置等，根據快速調節(jié)的需要還裝有放電線圈。每個標準屏最大可以安裝600kvar的電容器。集中補償也可用于高壓電網（10kV和35kV），其優(yōu)點是覆蓋范圍大，可以保證整個系統(tǒng)的功率因數值，但是這種方式也有缺點，主要表現在無功功率需要較長距離的傳輸，另外高壓接觸器需要滿足頻繁操作的要求，采用真空接觸器可以比較好的解決這個問題，采

11、用組裝式結構，應用于所有用電場合。4 電網中含有諧波情況下的無功補償4.1 對變流器負荷的補償當電網接有諧波源負載（例如變流器）時，不能將補償電容器直接接于電網，因為電容器與電網阻抗形成并聯(lián)諧振回路（見圖5），諧振頻率為： 或者 式中：電網基波頻率 LN 電網及負載電感值（相） C 電容器容抗值（相） 諧振頻率次數。圖5 電容器與電網的并聯(lián)在對諧振頻率進行估算時，可以根據電網短路功率和電容器基波補償容量QC1計算：圖6 電容器與電網的并聯(lián)諧振頻率（根據電容器基波功率與電網短路功率的比率）從圖7可見，在5次諧波頻率下電網具有諧振特性，并聯(lián)阻抗XP大大升高，由諧波源輸出的5次諧波電流流入諧振回路后

12、，會產生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導致電壓波形發(fā)生畸變。在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發(fā)出的諧波電流的數倍，即發(fā)生諧波放大，此時變壓器和電容器承受大于正常情況下負荷，特別是電容器，長期運行于過負荷狀態(tài)，會加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸?？梢愿鶕娋W阻抗和電容器容抗預先計算出并聯(lián)諧振頻率，調整電容器的容量配置，使并聯(lián)諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。實際上電網阻抗并不為常數，而是處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當電容器分組調節(jié)運行時，情況更為復雜。當需要對接有諧波源設備的電網進行補償時，必須采取技術措施，將并聯(lián)諧振點移到安全位置，而實踐證明最可靠

13、的方法就是在電容器回路中串聯(lián)電抗器。圖7 并聯(lián)諧振回路阻抗曲線（fp=250Hz）4.2 電容器回路串電抗電容器串聯(lián)電抗后形成串聯(lián)諧振回路，在諧振頻率處呈現很低的阻抗（理論上為0），如果串聯(lián)諧振頻率與電網特征諧波頻率一致，可以吸收大部分諧波電流，稱為純?yōu)V波回路。如果只是吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。4.2.1失諧濾波回路失諧濾波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，串聯(lián)諧振頻率通常低于電網的最低次特征諧波頻率，一般為基波頻率的3.84.2倍。工程計算公式為：電抗器電抗XL=電容器容抗XC的百分比（x%）或者： 電抗器功率QL=電容器基波容量QC的百分比（x%）電抗器的電抗或容量一般為

14、電容器容抗或容量的6%7%。串聯(lián)諧振次數按下式計算：例如在選擇串聯(lián)電抗率x=6%時，串聯(lián)諧振次數為=4.08。失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產生的諧波的大部分流入電網，電容器容量根據預計達到的功率因數值確定。4.2.2 純?yōu)V波回路純?yōu)V波回路的主要用途是吸收諧波電流，同時補償基波無功。從圖8可見，在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波回路的合成阻抗XS接近于0，因此可對相關諧波形成“短路”。在諧振頻率以下濾波回路呈容性，因此能夠輸出容性基波無功功率以補償感性無功功率。在諧振頻率以上濾波回路呈感性。由于濾波回路在諧振點以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網電感形成并聯(lián)諧振回路（見圖9）。如果在這

15、個頻率范圍內沒有特征諧波，則并聯(lián)諧振對電網不會產生危害。設計濾波回路時，應從最低次特征諧波開始，例如對于6脈動三相橋式變流器，應從5次諧波開始設置濾波回路。多個濾波回路的并聯(lián)諧振頻率見圖10。圖8 250Hz串聯(lián)諧振回路圖9 單個濾波回路與電網的并聯(lián)諧振頻率圖10 多個濾波回路與電網的并聯(lián)諧振頻率4.3 濾波回路與電網的并聯(lián)諧振濾波回路和電網的并聯(lián)諧振點按下式計算：式中：并聯(lián)諧振次數；濾波回路諧振次數；QC1基波補償容量；電網短路功率；w1基波角頻率（2pf1）；LS濾波電抗的電感（相）；LN電網電抗（相）；C濾波電容器的容抗（相）。注意：當電容器采用Y形接線時，上式中的C為一相值。如果采用形

16、接線，則：C=CY=3×C濾波回路的諧振頻率一般設定為特征諧波頻率的96%98%，以便平衡電網的頻率波動和由于環(huán)境溫度變化引起的電容量的改變。濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負荷。多個不同諧振頻率的濾波回路在兩個過0點間會出現一個并聯(lián)諧振點。4.4 濾波回路的無功功率調節(jié)濾波回路的主要作用是吸收諧波電流，因此限制了對基波無功功率進行調節(jié)的靈活性，只能按回路進行投切，投入的順序為從低次到高次，切除的順序為從高次到低次。對于容量較大的補償濾波裝置，可以采取純?yōu)V波回路和失諧濾波回路相結合的方法，即純?yōu)V波回路固定運行，補償基本負荷，失諧濾波回路調節(jié)運行。對于低壓濾波裝置，也可以采

17、取多個同次濾波回路并聯(lián)的方法，但需注意以下兩點：a) 失諧濾波回路可以并聯(lián)運行，用于對濾波效果沒有嚴格要求的場所。b) 同次調諧濾波回路并聯(lián)運行會出現問題。在諧振頻率處回路阻抗理論上為0，但實際上諧波電流不可能在兩個支路間平均分配，主要原因是： 由于元件制造誤差、環(huán)境溫度變化、電容器老化或元件熔絲的動作等因素的影響，導致各支路阻抗不為0，并且互不相同。電感和電容的調諧精度的限制。不可能將兩個支路的參數調的完全一樣。如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性，另一個呈容性，則會產生并聯(lián)諧振，使諧波放大。如果經過經濟技術比較需要采用并聯(lián)運行方式，可以將兩個支路均調為在特征諧波頻率下呈感性，

18、即：，各支路電阻接近，可以較好解決電流分配問題，但是濾波效果要降低。如果既要保證諧波效果，又要具有調節(jié)靈活性，可以采用支路并聯(lián)的方法，即將若干個同次濾波回路同時接入電網，各支路的電容同時并聯(lián)，形成一個總的濾波回路，調節(jié)時可以投切其中的一個或多個并聯(lián)支路。這種方式不會出現支路間的并聯(lián)諧振，同時也保證了濾波效果（見圖12）。除了對電容器分組調節(jié)之外，對于負載變化頻繁的場合，采用動態(tài)補償濾波是最佳的解決方案。TSC(晶閘管開關控制電容器)型動態(tài)無功補償裝置補償精度高，設定值可調，跟隨速度一個電網周波，可以大大改善電網電壓質量。圖11 三種參數下合成阻抗曲線舉例2個濾波回路，品質因數Q=20fr1=濾

19、波器1的諧振頻率fr2=濾波器2的諧振頻率圖12 低壓濾波同時調節(jié)功率的電路 失諧回路+調諧回路圖13 合成阻抗曲線2個并聯(lián)濾波器在不同諧振點時的電網阻抗圖14 4個并聯(lián)濾波器在不同調諧度時的電網阻抗其中3個回路呈容性，1個回路呈感性，可以改善濾波效果，見圖15。圖154.5 濾波回路的設計設計濾波回路有以下兩個原則：a) 主要用于吸收諧波，降低電網電壓畸變，基波無功補償居次要位置。b) 主要提高電網功率因數，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償的要求配置。對于情況a)可以考慮采用最佳濾波器，即基波無功功率等于諧波功率，電容器安裝容量最?。ㄒ妶D16）。QC1 電容器基波功率QCn 電容器諧波功率

20、QC 總功率（QC1+QCn）對于純?yōu)V波器：QC1=QCn或者電容器端電壓峰值：式中：n諧波次數；In流過濾波器的諧波電流；Fn考慮變流器換向時的修正系數；UL1電網電壓；UC1電容器基波電壓（=）；UCn電容器諧波電壓；S變流器網側視在功率可見純?yōu)V波回路中電容器端電壓很高，其濾波效果主要取決于調節(jié)準確度。對于情況b)，電容器容量根據基波補償的需要確定，圖18中最佳點的右側部分，輸出到電網中的基波無功功率為總基波無功功率減去串聯(lián)電抗的無功功率。圖16 在電網諧波與基波共同作用下的電容器功率QC4.6 濾波回路的濾波效果在諧振頻率下濾波回路仍然具有電阻，因此會產生損耗。濾波回路的合成阻抗按下式計

21、算：式中：Zs串聯(lián)諧振回路的合成阻抗；L濾波器電感；C濾波器電容；Q諧振頻率下的濾波器的品質因數；wr濾波器的諧振角頻率；R電抗線圈、電容器損耗及線路的電阻分量，電容器的損耗電阻分量在諧振頻率下從并聯(lián)電阻轉換為串聯(lián)電阻。濾波器的濾波效果取決于下列因素：· 品質因數q· 調諧精度· 電容器基波功率與電網短路功率的比值· 吸收的諧波次數。濾波器和電網之間的諧波分流與其阻抗成反比關系，參見圖17中的等效圖。實際工程中主要考慮有多少諧波電流流入電網，其分流比按下式計算：式中：n 電網諧波次數nr濾波器諧振頻率次數d濾波器衰減系數（=1/q）q諧振頻率處的品質因數

22、Qc1 電容器的基波無功功率電網短路功率。圖17原理圖中忽略了所有其它負載(包括電纜電容)，但并不影響計算準確度。從圖18可見，電容器容量越小，諧振曲線越陡，一旦失諧，會有大量諧波電流進入電網。電容器容量越大，濾波效果也越好。圖19表示品質因數改變時諧振曲線只在特征諧波附近變化，在濾波器調諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質因數越高，濾波效果越好。考慮到電容器和電抗器制造誤差和費用等因素，品質因數q一般選在3060之間。圖18和19表示的諧波分流特性只適用于諧波源和濾波器穩(wěn)定運行狀態(tài)，在諧波源（例如可逆軋機傳動）動態(tài)變化過程中，諧波電流的每次改變均會引起濾波器振蕩，濾波回路的電阻越大（品質因數越小），則振蕩時間越短，但濾波效果要降低。因此，對于頻繁變化的諧波源負載，在過渡過程期間，電網要承受較大的諧波電流。圖17 電網等效圖圖18 5次濾波器的濾波效果電網短路功率250MVA，濾波器品質因數20圖19 將濾波器品質因數從20提高到50后的濾波效果4.7 濾波器的容量分配如果需要在電網