1、26電網(wǎng)無功補償與濾波技術(shù)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(wǎng)，并按電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)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(wǎng)電壓90°，不參與能量轉(zhuǎn)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(chǎn)生損耗，影響輸配電系統(tǒng)的經(jīng)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(dǎo)線· 調(diào)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(chǎn)

2、生。· 畸變無功功率由網(wǎng)側(cè)非正弦電流產(chǎn)生。變流器的網(wǎng)側(cè)電流中含有基波（50Hz）分量和諧波（頻率為基波頻率的整數(shù)倍）分量。1.2 容性無功輸出容性無功的設(shè)備可以對需要感性無功的設(shè)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)的輸電經(jīng)濟性，我國全國供用電準則規(guī)定了各級各類電力用戶應(yīng)達到的功率因數(shù)值，有關(guān)部門制定了功率因數(shù)的獎懲細則

3、，見表1。功率因數(shù)的計算：功率因數(shù)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(shù)： 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(shù)為1。實際工程中應(yīng)根據(jù)負荷情況和當?shù)毓╇姴块T的要求，確定補償后應(yīng)達到的功率因數(shù)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(shù)通常采用并聯(lián)電容器方式。 圖1 在有功功率為常數(shù)時，視在功率S和損耗功率Pv與功率因數(shù)的關(guān)系，參考值1對應(yīng)cosj=1，p.u=單位值。表1功率因數(shù)獎罰表表1-1 按功率因數(shù)減免電費表月平均功 率因 數(shù)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(shù)增收電費表平均功率因數(shù)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(shù)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(yīng)各種負載均會使輸電系統(tǒng)產(chǎn)生損耗，并導(dǎo)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(wǎng)電阻X 電網(wǎng)電抗負載與電網(wǎng)連接處的短路功率在電力系統(tǒng)中，R/X的比值通常較小（約為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(yīng)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(shè)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(shù)

6、cosj1提高到cosj2，需要補償電容功率為：當被補償?shù)呢撦d停止運行，而電容器繼續(xù)接于電網(wǎng)時，則會出現(xiàn)過補償，相移系數(shù)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(wǎng)等效圖3 電網(wǎng)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?shù)穆窂阶疃?。單獨補償時電容器可以不用開關(guān)或熔斷器，但是連接導(dǎo)線的截面應(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(cè)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(wǎng)的串聯(lián)諧振回路，見圖3。如果上級電網(wǎng)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(cè)電壓波形發(fā)生畸變。當電網(wǎng)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(wǎng)電阻分量的條件下，電網(wǎng)電感LN按下式計算：圖3等效圖中的L和C應(yīng)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(wǎng)輸送容性無功，則變壓器固定補償?shù)娜萘坎坏么笥谧儔浩鞯目蛰d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(shù)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(wǎng)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(wǎng)向本級電網(wǎng)的無功輸送，通常采取調(diào)節(jié)運行方式，無功控制器將功率因數(shù)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(shù)可以根據(jù)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(yīng)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(shè)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(shè)備配套。屏內(nèi)裝有無功控制器、電容器、串聯(lián)電抗器、開關(guān)及接觸器、保護裝置等，根據(jù)快速調(diào)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(wǎng)（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(shù)值，但是這種方式也有缺點，主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)，應(yīng)用于所有用電場合。4 電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)，因為電容器與電網(wǎng)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(wǎng)基波頻率 LN 電網(wǎng)及負載電感值（相） C 電容器容抗值（相） 諧振頻率次數(shù)。圖5 電容器與電網(wǎng)的并聯(lián)在對諧振頻率進行估算時，可以根據(jù)電網(wǎng)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(wǎng)的并聯(lián)諧振頻率（根據(jù)電容器基波功率與電網(wǎng)短路功率的比率）從圖7可見，在5次諧波頻率下電網(wǎng)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(chǎn)生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。在電網(wǎng)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(shù)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。可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計算出并聯(lián)諧振頻率，調(diào)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(wǎng)阻抗并不為常數(shù)，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(diào)節(jié)運行時，情況更為復(fù)雜。當需要對接有諧波源設(shè)備的電網(wǎng)進行補償時，必須采取技術(shù)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(xiàn)很低的阻抗（理論上為0），如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(shù)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(chǎn)生的諧波的大部分流入電網(wǎng)，電容器容量根據(jù)預(yù)計達到的功率因數(shù)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(guān)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(wǎng)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(nèi)沒有特征諧波，則并聯(lián)諧振對電網(wǎng)不會產(chǎn)生危害。設(shè)計濾波回路時，應(yīng)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(yīng)從5次諧波開始設(shè)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(wǎng)的并聯(lián)諧振頻率圖10 多個濾波回路與電網(wǎng)的并聯(lián)諧振頻率4.3 濾波回路與電網(wǎng)的并聯(lián)諧振濾波回路和電網(wǎng)的并聯(lián)諧振點按下式計算：式中：并聯(lián)諧振次數(shù)；濾波回路諧振次數(shù)；QC1基波補償容量；電網(wǎng)短路功率；w1基波角頻率（2pf1）；LS濾波電抗的電感（相）；LN電網(wǎng)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(shè)定為特征諧波頻率的96%98%，以便平衡電網(wǎng)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(xiàn)一個并聯(lián)諧振點。4.4 濾波回路的無功功率調(diào)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(diào)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(jié)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(diào)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(diào)諧濾波回路并聯(lián)運行會出現(xiàn)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(dǎo)致各支路阻抗不為0，并且互不相同。電感和電容的調(diào)諧精度的限制。不可能將兩個支路的參數(shù)調(diào)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(chǎn)生并聯(lián)諧振，使諧波放大。如果經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較需要采用并聯(lián)運行方式，可以將兩個支路均調(diào)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(diào)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(wǎng)，各支路的電容同時并聯(lián)，形成一個總的濾波回路，調(diào)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(xiàn)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(diào)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(guān)控制電容器)型動態(tài)無功補償裝置補償精度高，設(shè)定值可調(diào)，跟隨速度一個電網(wǎng)周波，可以大大改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。圖11 三種參數(shù)下合成阻抗曲線舉例2個濾波回路，品質(zhì)因數(shù)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(diào)節(jié)功率的電路 失諧回路+調(diào)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(wǎng)阻抗圖14 4個并聯(lián)濾波器在不同調(diào)諧度時的電網(wǎng)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(shè)計設(shè)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(wǎng)電壓畸變，基波無功補償居次要位置。b) 主要提高電網(wǎng)功率因數(shù)，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償?shù)囊笈渲?。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，電容器安裝容量最小（見圖16）。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(shù)；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(shù)；UL1電網(wǎng)電壓；UC1電容器基波電壓（=）；UCn電容器諧波電壓；S變流器網(wǎng)側(cè)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(diào)節(jié)準確度。對于情況b)，電容器容量根據(jù)基波補償?shù)男枰_定，圖18中最佳點的右側(cè)部分，輸出到電網(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)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(zhì)因數(shù)；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(zhuǎn)換為串聯(lián)電阻。濾波器的濾波效果取決于下列因素：· 品質(zhì)因數(shù)q· 調(diào)諧精度· 電容器基波功率與電網(wǎng)短路功率的比值· 吸收的諧波次數(shù)。濾波器和電網(wǎng)之間的諧波分流與其阻抗成反比關(guān)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(wǎng)，其分流比按下式計算：式中：n 電網(wǎng)諧波次數(shù)nr濾波器諧振頻率次數(shù)d濾波器衰減系數(shù)（=1/q）q諧振頻率處的品質(zhì)因數(shù)

22、Qc1 電容器的基波無功功率電網(wǎng)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(wǎng)。電容器容量越大，濾波效果也越好。圖19表示品質(zhì)因數(shù)改變時諧振曲線只在特征諧波附近變化，在濾波器調(diào)諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質(zhì)因數(shù)越高，濾波效果越好?？紤]到電容器和電抗器制造誤差和費用等因素，品質(zhì)因數(shù)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(zhì)因數(shù)越?。瑒t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(wǎng)要承受較大的諧波電流。圖17 電網(wǎng)等效圖圖18 5次濾波器的濾波效果電網(wǎng)短路功率250MVA，濾波器品質(zhì)因數(shù)20圖19 將濾波器品質(zhì)因數(shù)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(wǎng)