諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償

電能質(zhì)量專(zhuān)題講座電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償電能質(zhì)量研究所1內(nèi)容提要一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害二、諧波諧振與放大三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)2一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害1、諧波畸變

波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線(xiàn)性設(shè)備引起的，流過(guò)非線(xiàn)性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系。圖1-1給出了在一個(gè)簡(jiǎn)單的非線(xiàn)性電阻上施加正弦電壓的例子，非線(xiàn)性電阻上電壓和電流的關(guān)系隨所給出的特性曲線(xiàn)變化。雖然該電阻上所加電壓是理想正弦波，但流過(guò)其中的電流卻是非正弦的，即出現(xiàn)了諧波畸變問(wèn)題。當(dāng)電壓有較小增加時(shí)，電流可能成倍增加，并且其波形也將發(fā)生變化。3一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害圖1-1非線(xiàn)性電阻引起的電流畸變非線(xiàn)性電阻4一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害任何周期性的畸變波形都可用正弦波形的和表示，如圖1-2所示。也就是說(shuō)，當(dāng)畸變波形的每個(gè)周期都相同時(shí)，則該波形可用一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的理想正弦波形的和來(lái)表示。其中，頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱(chēng)為諧波，而一系列正弦波形的和稱(chēng)為傅里葉級(jí)數(shù)。5一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害+...50Hz（h=1）150Hz（h=3）250Hz（h=5）350Hz（h=7）450Hz（h=9）550Hz（h=11）650Hz（h=13）圖1-2畸變波形的Fourier級(jí)數(shù)表示++++++62、諧波的基本概念與定義國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義為：“諧波是一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。諧波次數(shù)必須為正整數(shù)如我國(guó)電力系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)頻率F（也稱(chēng)為工業(yè)頻率，簡(jiǎn)稱(chēng)工頻）為50Hz，則基波為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波為150Hz等。一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害7間諧波和次諧波

在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)非整數(shù)倍的周期性電流的波動(dòng)，根據(jù)該電流周期分解出的傅里葉級(jí)數(shù)，可能得出不是基波整數(shù)倍頻率的分?jǐn)?shù)諧波(fractional-harmonics)或稱(chēng)間諧波(inter-harmonics)。次諧波（sub-harmonics)是指頻率低于工頻基波頻率的分量。一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害8諧波和暫態(tài)現(xiàn)象

在許多電能質(zhì)量問(wèn)題中常把暫態(tài)現(xiàn)象誤認(rèn)為是諧波畸變。暫態(tài)過(guò)程的實(shí)測(cè)波形是一個(gè)帶有明顯高頻分量的畸變波形，雖然暫態(tài)過(guò)程中含有高頻分量，但是暫態(tài)和諧波卻是兩個(gè)完全不同的現(xiàn)象，它們的分析方法也是不同的。電力系統(tǒng)僅在受到突然擾動(dòng)之后，其暫態(tài)波形呈現(xiàn)出高頻特性，但這些頻率并不是諧波，與系統(tǒng)的基波頻率無(wú)關(guān)。一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害9

短時(shí)間諧波

對(duì)于短時(shí)間的沖擊電流，例如，變壓器空載合閘的勵(lì)磁涌流，按周期函數(shù)分解，將包含短時(shí)間的諧波和間諧波電流，稱(chēng)為短時(shí)間的諧波電流或快速變化諧波電流，應(yīng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波區(qū)別開(kāi)來(lái)。一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害10陷波

換流裝置在換相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)陷波或稱(chēng)換相缺口。這種畸變是電壓瞬時(shí)值的突然變化，雖然也是周期性的，但不屬于諧波范疇。一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害113、非正弦量有效值和總諧波畸變率一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害12一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害以電流為例，的有效值根據(jù)定義可表示為

即非正弦周期量的有效值等于其各次諧波分量有效值的平方和的平方根值，與各分量的初相角無(wú)關(guān)。雖然各次諧波分量有效值與其峰值之間存在著比例關(guān)系，但是的峰值與它的有效值之間卻不存在這樣簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。13一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害14一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害4、非正弦條件下的無(wú)功功率與功率因數(shù)假定電源電壓波形以正弦函數(shù)變化（這同實(shí)際情況比較接近，則假設(shè)是合理的），可推導(dǎo)出：15一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害根據(jù)傳統(tǒng)定義，有

◆結(jié)論：功率因數(shù)大小由兩方面因素決定：①相移功率因數(shù)，即基頻電壓與電流之間的相位差；②電流的基波分量所占比例，即電流畸變程度。16一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害5、典型諧波源變壓器由于經(jīng)濟(jì)原因，變壓器所使用的磁性材料通常在接近非線(xiàn)性或就在非線(xiàn)性區(qū)域運(yùn)行。即使所加的電壓是正弦的，變壓器的勵(lì)磁電流也是非正弦的，因而包含諧波（主要是3次諧波）。17一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害圖1-3電壓磁通為正弦波時(shí)變壓器勵(lì)磁電流波形18一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害整流裝置V1V4V20019一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害20一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害電力機(jī)車(chē)21一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害電弧爐根據(jù)電弧爐的容量及冶煉要求，煉鋼周期約為3~8h不等。煉鋼前的0.5~2h為爐料的熔化時(shí)期，此階段電弧極不穩(wěn)定，因此電弧電流具有數(shù)值大而且不平衡、畸變和不規(guī)則波動(dòng)的特點(diǎn)。特別是在熔化期的初期，畸變和波動(dòng)更為嚴(yán)重。在后一階段的精煉期，電弧電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)大為減小，電流的數(shù)值相對(duì)較小且比較平衡，畸變也較小。根據(jù)對(duì)電弧爐實(shí)測(cè)電流的分析，電弧爐電流中主要含有2、3、4、5、7次諧波成分。22一、諧波的基本概念、產(chǎn)生與危害6、諧波的影響和危害在電力危害方面：1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)等的（換流變壓器過(guò)載）附加諧波損耗與發(fā)熱，縮短使用壽命；2）諧波諧振過(guò)電壓，造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞；3）電能計(jì)量錯(cuò)誤。在信號(hào)干擾方面：1）對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降；2）重要的和敏感的自動(dòng)控制、保護(hù)裝置不正確動(dòng)作；3）危害到功率處理器自身的正常運(yùn)行。23二、諧波諧振與放大1、基本原理

不管是用戶(hù)端用于功率因數(shù)校正的并聯(lián)電容器還是配電系統(tǒng)中的并聯(lián)電容器，它們都對(duì)系統(tǒng)的阻頻特性影響很大。電容器并不產(chǎn)生諧波電流，但有時(shí)，電容器卻可以引起嚴(yán)重的諧波電壓畸變。感性電抗隨頻率成比例增加，而容性電抗則成比例減小所有含有電容和電感的電路都有一個(gè)或多個(gè)固有頻率，在某一固有頻率下，電路與系統(tǒng)間可能發(fā)生諧振。諧振頻率所對(duì)應(yīng)的電壓和電流的幅值較大。24二、諧波諧振與放大

在某一固有頻率下，當(dāng)和系統(tǒng)總電抗相等時(shí)，從諧波電流源處看到的電感和電容的并聯(lián)視在阻抗值很高，這就是典型的并聯(lián)諧振。圖2-1（c）所示為無(wú)電容器以及電容大小改變時(shí)從諧波源處看到的阻抗。（a）存在并聯(lián)諧振隱患的系統(tǒng)簡(jiǎn)化接線(xiàn)圖～諧波源（b）等效電路圖2-1電容大小對(duì)并聯(lián)諧振頻率的影302010405050％30％=10％諧波次數(shù)（c）當(dāng)電容器容量相對(duì)變壓器容量變化時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)25二、諧波諧振與放大26二、諧波諧振與放大2、三次諧波問(wèn)題

通常認(rèn)為，3及其倍數(shù)次諧波分量在變壓器的三角形繞組中短路、環(huán)流，線(xiàn)路中沒(méi)有這些分量。事實(shí)上變壓器本身就是一個(gè)以3、5次諧波為主的諧波源。由于Y，d變壓器的三相磁路并不完全對(duì)稱(chēng)，同時(shí)三相電源電壓不僅在幅值上有差別，而且在相位上也不是準(zhǔn)確地相差120度27二、諧波諧振與放大這樣變壓器三相鐵芯飽和程度不同，各相產(chǎn)生的3次諧波大小及相位也不相同，所以在變壓器三角形繞組側(cè)的線(xiàn)電壓、線(xiàn)電流中仍存在3次諧波分量（為3次正序和負(fù)序分量）。此外，電力機(jī)車(chē)、電弧爐以及低壓家用電器等也是3次諧波發(fā)生源。因此，在我國(guó)電網(wǎng)中，3次諧波實(shí)際上是普遍存在的。28二、諧波諧振與放大3、變電所并聯(lián)電容補(bǔ)償在電容器裝置中串接電抗率的電抗器后，可以對(duì)電網(wǎng)5次及以上諧波有抑制作用，但對(duì)5次以下諧波卻有放大作用。忽視3次諧波的影響，電容器裝置盲目串接電抗率的電抗器投入電網(wǎng)后，引起3次諧波的放大甚至發(fā)生諧振已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。29二、諧波諧振與放大例如，我國(guó)220kV及以上樞紐變電站中的河南湯陰變、湖南曲河變、湖南寶慶變、廣西玉林變、張家口宣化變的電容裝置投運(yùn)后，曾先后發(fā)生由于3次諧波諧振引發(fā)的部分電容器和配套器件損毀，甚至全部電容器燒毀的事故；北京地區(qū)聶各莊變、呂村變、南苑變、王四營(yíng)變、浙江紹興的渡東變等等，均發(fā)生過(guò)因3次諧波諧振而被迫停運(yùn)采取改造措施的情況。因此，電容器裝置串聯(lián)電抗率應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波的實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，以避免可能發(fā)生的諧波放大等問(wèn)題。30三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償電力諧波的抑制或減緩措施通?？煞譃轭A(yù)防性措施和補(bǔ)償性措施。預(yù)防性措施包括：1)供電設(shè)備如電容器、變壓器、發(fā)電機(jī)等在設(shè)計(jì)、制造、規(guī)劃、配置等方面采取減少諧波的措施；2)通過(guò)增加整流器的脈動(dòng)數(shù)或采用可控整流限制電力諧波的主要來(lái)源整流器的諧波。補(bǔ)償性措施包括：1)濾波器的應(yīng)用；2)改變饋線(xiàn)參數(shù)，采用饋電線(xiàn)重構(gòu)或電容器改變安裝位置等避免諧振。31三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償1、無(wú)源電力濾波器類(lèi)型與基本原理32三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償單調(diào)諧濾波器基本原理

單調(diào)諧濾波器由電感電容串聯(lián)組成。阻抗頻率特性為：諧振頻率為：

諧振次數(shù)為：

品質(zhì)因數(shù)為：

33三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償品質(zhì)因數(shù)決定了濾波器調(diào)諧的敏銳度。品質(zhì)因數(shù)越大，則電阻越小，濾波器的調(diào)諧越敏銳。品質(zhì)因數(shù)過(guò)大，會(huì)使被濾除諧波頻率的頻帶過(guò)窄，當(dāng)系統(tǒng)頻率或?yàn)V波電容器、電抗器參數(shù)發(fā)生偏差時(shí)容易發(fā)生失諧；品質(zhì)因數(shù)過(guò)小，會(huì)使濾波器的損耗增大。品質(zhì)因數(shù)的典型取值為30~60。

34三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償單調(diào)諧濾波器由電容與電感串聯(lián)而成，其諧振頻率與某低次諧波一致，用來(lái)消除該低次諧波。對(duì)應(yīng)于調(diào)諧頻率，電容器與電抗器的阻抗匹配，濾波器呈純阻性。頻率低于諧振頻率時(shí)，濾波器呈容性，頻率高于諧振頻率時(shí)，濾波器則呈現(xiàn)感性。35三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償由于系統(tǒng)阻抗往往呈現(xiàn)為感性，為防止對(duì)調(diào)諧點(diǎn)諧波電流的放大，單調(diào)諧濾波器的調(diào)諧次數(shù)應(yīng)偏離所要濾除的主要諧波的次數(shù)。一般情況下，可選取調(diào)諧次數(shù)為所要濾除的主要諧波的次數(shù)的0.96~0.98倍。36三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償

37三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償二階高通濾波器基本原理二階減幅濾波器是在實(shí)際工程中最廣泛應(yīng)用的高通濾波器，高通濾波器在無(wú)限大至截止頻率范圍內(nèi)，其阻抗是一個(gè)與它的電阻同數(shù)量級(jí)的低阻抗，從而使得高通濾波器對(duì)截止頻率以上的高次諧波形成一個(gè)公共的電流通路，有效濾除這些諧波。38三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償高通濾波器的截止頻率為對(duì)應(yīng)的截止諧波次數(shù)為在無(wú)限大至截止頻率的頻率范圍內(nèi)，高通濾波器的阻抗是一個(gè)與它的電阻同數(shù)量級(jí)的低阻抗，從而使得高通濾波器對(duì)截止頻率以上的高次諧波形成一個(gè)公共的電流通路，有效濾除這些諧波。

39三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償高通濾波器的阻抗為

為了便于計(jì)算，引入?yún)?shù)mm的取值一般在0.5～2之間。高通濾波器阻抗還可表示為

40三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償2、無(wú)源濾波器典型配置對(duì)于大容量的諧波濾除工程，往往采用若干組單調(diào)諧濾波器與一組（或多組）高通濾波器配合使用的方案，為與單調(diào)諧濾波器配合，高通濾波器的截止諧波次數(shù)應(yīng)比單調(diào)諧濾波器濾除的最高濾波次數(shù)至少大1，以免高通濾波器過(guò)多地分流單調(diào)諧濾波器的諧波。同時(shí)，截止諧波次數(shù)也不應(yīng)選擇過(guò)低，以免有功功率損耗增加太大。41三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償2、無(wú)源濾波器典型配置對(duì)于大容量的諧波濾除工程，往往采用若干組單調(diào)諧濾波器與一組（或多組）高通濾波器配合使用的方案，為與單調(diào)諧濾波器配合，高通濾波器的截止諧波次數(shù)應(yīng)比單調(diào)諧濾波器濾除的最高濾波次數(shù)至少大1，以免高通濾波器過(guò)多地分流單調(diào)諧濾波器的諧波。同時(shí)，截止諧波次數(shù)也不應(yīng)選擇過(guò)低，以免有功功率損耗增加太大。42三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償110kV1500MVA11kV260MVAT允許少量諧波流入系統(tǒng)M整流裝置注入的總諧波電流5th7thHP無(wú)源濾波器直流電機(jī)·····43三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償44三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償3、濾波裝置設(shè)計(jì)的工程方法濾波裝置設(shè)計(jì)的基本任務(wù)在確定的系統(tǒng)和諧波源的條件下，以最少的投資達(dá)到母線(xiàn)電壓畸變率和注入系統(tǒng)的各次諧波電流符合規(guī)定的指標(biāo)，滿(mǎn)足無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊?，并保證裝置安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。45三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償46三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償47三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償48三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償49三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償濾波裝置的方案確定根據(jù)諧波源的特點(diǎn)，確定采用幾組單調(diào)諧或雙調(diào)諧濾波器，選取高通濾波器型式和截止頻率，以及用什么方式滿(mǎn)足無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊蟆?0三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償參數(shù)選擇根據(jù)濾波器應(yīng)提供的無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枨?，可采用不同的原則進(jìn)行各濾波器無(wú)功功率的初步分配，如對(duì)于單調(diào)諧濾波器，h次單調(diào)諧無(wú)功可根據(jù)如下關(guān)系初步估算：根據(jù)估算無(wú)功，進(jìn)而由濾波器參數(shù)間的關(guān)系可初步確定濾波電容器、電抗器與電阻的數(shù)值。51三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償單臺(tái)電容器額定參數(shù)選擇在濾波器的工程設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)濾波器安裝處的電網(wǎng)情況、濾波器濾除諧波電流的大小等具體情況，確定濾波電容器的額定電壓等參數(shù)，以便進(jìn)行濾波器工程設(shè)計(jì)參數(shù)的整定。另外，在一般工程中，應(yīng)盡量選用額定電壓與容量相同的濾波電容器，以便于濾波電容器的訂購(gòu)、減少備件以及濾波裝置的維護(hù)等。52三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償額定電壓選擇濾波電容器的額定電壓包括基波電壓和諧波電壓兩大部分，應(yīng)在綜合考慮多方面影響電容器電壓升高因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選擇。

（1）綜合考慮濾波裝置投入后引起的母線(xiàn)電壓升高（以400V母線(xiàn)，短路容量13.7MVA，基波補(bǔ)償容量600kVar為例），以及母線(xiàn)經(jīng)常性運(yùn)行線(xiàn)電壓幅值，濾波電容器組的基波電壓為：53三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償

（2）考慮串接濾波電抗器引起的濾波電容器組基波電壓的升高

該項(xiàng)電壓升高與濾波器調(diào)諧點(diǎn)(諧振的次數(shù))有關(guān)，調(diào)諧點(diǎn)越低，電壓升高越多；反之，則電壓升高越少。

例如，對(duì)3次單調(diào)諧濾波器，基波電壓由考慮第一項(xiàng)之后的241.05V升高為：對(duì)5次單調(diào)諧濾波器，基波電壓升高為：

54三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償

（3）諧波電壓的考慮濾波電容器除承受基波電壓外，還承受由諧波電流引起的諧波電壓。實(shí)際運(yùn)行的某一濾波器支路中，將通過(guò)若干次諧波電流，但流入濾波器的主要諧波電流為濾波器調(diào)諧次數(shù)（或其附近）的諧波電流，而其它次數(shù)的諧波電流相對(duì)較小。對(duì)于單調(diào)諧濾波器，在進(jìn)行諧波電壓的初步估算時(shí)，可認(rèn)為流入濾波器的諧波電流僅為濾波器調(diào)諧次數(shù)的諧波電流，且該諧波電流值等于諧波源產(chǎn)生的該次諧波電流值，而不考慮其它次數(shù)的諧波電流。

55三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)于3次和5次單調(diào)諧濾波器，若其諧波電流分別為50A和180A，并按3、5次濾波器基波補(bǔ)償容量分別為190kVar和240kVar考慮，則3、5次諧波電壓分別為14.05伏和24伏。（4）電容器額定電壓按角形接線(xiàn)電容器考慮，3次單調(diào)諧濾波器電容器組的電壓為5次單調(diào)諧濾波器電容器組的電壓為56三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償考慮1.1倍允許的連續(xù)過(guò)電壓，則電容器雖可承受1.1倍連續(xù)過(guò)電壓，但應(yīng)考慮到輕負(fù)荷以及系統(tǒng)電壓調(diào)整和波動(dòng)引起的母線(xiàn)電壓升高等，綜合選擇電容器的額定電壓。

57三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償單臺(tái)電容器額定參數(shù)計(jì)算

在額定電壓確定后，應(yīng)進(jìn)行濾波電容器額定容量的選擇。單臺(tái)電容器的額定容量不宜過(guò)小或過(guò)大。在選擇額定容量時(shí)，應(yīng)考慮到濾波器的補(bǔ)償容量、濾波電容器的過(guò)電流能力以及濾波電容器的制造水平等。

58三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償需指出的是，在濾波器參數(shù)初步確定后，濾波器參數(shù)的最終確定需結(jié)合濾波效果與無(wú)功功率補(bǔ)償要求等進(jìn)行修正。同時(shí)，濾波器參數(shù)確定后，還應(yīng)進(jìn)行濾波電容器過(guò)電壓、過(guò)電流與過(guò)負(fù)荷校驗(yàn)，濾波器與系統(tǒng)之間以及濾波器組內(nèi)諧振的校驗(yàn)。為此，濾波器的設(shè)計(jì)往往采用計(jì)算機(jī)求解方式進(jìn)行。

59三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償60三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償61三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償4、濾波裝置設(shè)計(jì)實(shí)例一包頭韻升強(qiáng)磁材料有限公司為2001年新建的高新技術(shù)企業(yè)，效益顯著，其產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)海內(nèi)外。已建成的一期工程用電設(shè)備由兩臺(tái)1250kVA、10000V/400V變壓器分別供電，為補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率，在兩變壓器低壓側(cè)均裝設(shè)有分組投切總?cè)萘繛?00kVar的電容器（串有限流電抗器）。在電容器投運(yùn)期間，曾多次發(fā)生電容器熔斷器炸裂事故，并由于電弧短路引起主變開(kāi)關(guān)跳閘，致使加工材料報(bào)廢，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。62三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償（一）系統(tǒng)與負(fù)荷情況分析1、供電系統(tǒng)概況63三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償2、基本參數(shù)與短路容量計(jì)算3、負(fù)荷特性與無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題分析1#主變所帶負(fù)荷主要有：1）14組整流柜，工作電流為14*100=1400A；2）6臺(tái)IGBT中頻爐，工作電流為6*75=450A；3）其它負(fù)荷。2#主變所帶負(fù)荷主要有：1）9臺(tái)晶閘管調(diào)壓器，工作電流為9*96=864A；2）其它負(fù)荷。為補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率，在兩變壓器低壓側(cè)均裝設(shè)有3組總?cè)萘繛?00kVar的電容器柜（串有限流電抗器），每組電容器柜由3臺(tái)40kVar、2臺(tái)30kVar和1臺(tái)20kVar電容器并聯(lián)組成，電容器額定電壓均為0.4kV、角形接線(xiàn)。64三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償兩主變所帶負(fù)荷中，大多數(shù)為諧波源負(fù)荷，雖然，所裝設(shè)的無(wú)功功率補(bǔ)償電容器可以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，但會(huì)由于負(fù)荷的非線(xiàn)性特性，引起下列問(wèn)題：1）注入電網(wǎng)的諧波電流放大，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2）流入電容器的電流增加，致使電容器不能正常投運(yùn)，并容易損壞；3）電容器承受電壓增加，0.4kV的電壓額定值較小，易使電容器擊穿。在電容器投運(yùn)期間，曾多次發(fā)生的電容器熔斷器熔斷事故，說(shuō)明目前所配置電容器是不適合的，應(yīng)考慮諧波電流的影響，補(bǔ)償裝置需重新配置。65三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償（二）測(cè)試記錄與結(jié)果分析（以1#主變?yōu)槔?、諧波電流測(cè)試波形66三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償67三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償68三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償69三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償（三）1#主變諧波抑制方案

1#與2#主變所帶負(fù)荷的特性不同，其諧波產(chǎn)生情況也有區(qū)別。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，兩段母線(xiàn)應(yīng)采取不同補(bǔ)償容量和不同型式的濾波裝置?？紤]諧波補(bǔ)償、不同負(fù)荷時(shí)無(wú)功功率的需求，1#主變的補(bǔ)償以加裝3、4、5、7、11次單調(diào)諧濾波器較為合適。70三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償根據(jù)實(shí)際情況，將所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率在各濾波器之間合理分配，3、4、5、7、11次濾波電容器分別按3臺(tái)、2臺(tái)、4臺(tái)、3臺(tái)、2臺(tái)490V/60kVar電容器并聯(lián)組成?？紤]到無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)撵`活性與濾波裝置實(shí)現(xiàn)的方便性，將5次濾波器分為兩組，每組由2臺(tái)電容器并聯(lián)組成。1#主變電容器總安裝容量為840kVar，基波無(wú)功功率總補(bǔ)償容量約590kVar。71三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償1、濾波器參數(shù)經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論研究和仿真分析，考慮等效的頻率偏差為，在較好濾波方案并滿(mǎn)足濾波電容器過(guò)電壓、過(guò)電流校驗(yàn)下，各濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)為（下面設(shè)計(jì)方案中濾波器品質(zhì)因數(shù)均按50考慮，實(shí)際裝置中可不加裝濾波電阻。）：72三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償①3次濾波器參數(shù)電容器：3臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.4946mH，額定電流210A（其中基波電流約180A、3次諧波電流約20A）②4次濾波器參數(shù)電容器：2臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.4186mH，額定電流140A（其中基波電流約120A、4次諧波電流約10A）③5次濾波器A參數(shù)電容器：2臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.2823mH，額定電流140A（其中基波電流約120A、5次諧波電流約90A）73三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償④5次濾波器B參數(shù)電容器：2臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.2707mH，額定電流140A（其中基波電流約120A、5次諧波電流約90A）⑤7次濾波器參數(shù)電容器：3臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.091mH，額定電流210A（其中基波電流約180A、7次諧波電流約74A）⑥11次濾波器參數(shù)電容器：2臺(tái)490V/60kVar角接電容器并聯(lián)組成電抗器：0.05561mH，額定電流140A（其中基波電流約120A、11次諧波電流約50A、13次諧波電流約30A）74三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償2、濾波效果75三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償3、阻頻特性曲線(xiàn)

圖1給出了1#主變加裝3、4、5、7、11次單調(diào)諧濾波器后的濾波器組阻頻特性曲線(xiàn)、濾波器組與系統(tǒng)并聯(lián)的阻頻特性曲線(xiàn)。從阻頻特性曲線(xiàn)可以看出濾波器的調(diào)諧情況與濾波特性。76三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償77三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償78三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償79三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償80三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償（六）2#主變測(cè)試結(jié)果在試投運(yùn)期間，2#主變所帶負(fù)荷較大，接近滿(mǎn)負(fù)荷工作情況，下面給出相應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。81三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償82三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償83三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償84三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償5、濾波裝置設(shè)計(jì)實(shí)例二

某研究所中頻變換裝置為典型三相六脈動(dòng)諧波源，中頻變換裝置由630kVA（10kV/0.4kV）變壓器供電。為補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率，在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)了補(bǔ)償電容器。在電容器投運(yùn)期間，曾多次發(fā)生電容器熔斷器炸裂事故，致使電容器無(wú)法投入。圖1和圖2分別給出了不加補(bǔ)償裝置時(shí)在變壓器低壓側(cè)實(shí)測(cè)的諧波電壓和電流的典型波形，諧波含量以5、7、11、13次為主。85三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償86三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償

根據(jù)諧波源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了5、7、11三組單調(diào)諧濾波器，其參數(shù)為5次濾波器電容器，電抗器；7次濾波器電容器，電抗器；11次濾波器電容器，電抗器。圖3和圖4分別給出了濾波裝置投運(yùn)后諧波電壓和電流的典型測(cè)試波形。87三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償88三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償由測(cè)試波形可知，濾波裝置的補(bǔ)償效果非常顯著。電壓總諧波畸變率約從補(bǔ)償前的9.5%~9.9%下降到5%，諧波電流得到有效補(bǔ)償，以A相為例，5、7、11、13次諧波電流分別從補(bǔ)償前的122A、48A、48A和25A降低到42A、19A、8A和8A，均低于按該工程濾波裝置所接380V母線(xiàn)最小短路容量10.94MVA計(jì)算得到的諧波電流允許值。功率因數(shù)由補(bǔ)償裝置投運(yùn)前的0.7~0.8，提高到0.9~0.92。上述測(cè)試波形是在中頻變換裝置變換功率較大，畸變程度嚴(yán)重的情況下得到的。當(dāng)然，增大補(bǔ)償容量，可以進(jìn)一步改善補(bǔ)償效果，但從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，補(bǔ)償后的各項(xiàng)指標(biāo)只要滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求即可，而不必過(guò)分追求過(guò)高的補(bǔ)償效果。89三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償6、濾波裝置設(shè)計(jì)實(shí)例三邯鄲新興鑄管股份有限責(zé)任公司，又稱(chēng)中國(guó)人民解放軍第2672工廠(chǎng)，是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)企業(yè)，中國(guó)500強(qiáng)中處于前列的先進(jìn)企業(yè)，集生產(chǎn)離心球墨鑄鐵管、管件、鋼鐵、鋼鐵制品、水泥、機(jī)電和石油化工成套設(shè)備、電子工程于一體的跨行業(yè)、跨地區(qū)的大型企業(yè)集團(tuán)。二軋車(chē)間是2672鋼鐵公司一個(gè)生產(chǎn)螺紋鋼的部門(mén)。電氣傳動(dòng)采用晶閘管可控整流，帶動(dòng)軋鋼直流電動(dòng)機(jī)，這種方式具有控制特性好，整體上高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是晶閘管可控整流電路是一個(gè)非線(xiàn)性的沖擊性負(fù)荷，使得流入電網(wǎng)的諧波增多，同時(shí)消耗大量的無(wú)功功率。諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響供電質(zhì)量及運(yùn)行安全。另外軋機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，沖擊性強(qiáng)，電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)上的功率因數(shù)變化較大，自然功率因數(shù)較低，使線(xiàn)路損耗及電壓偏移增加，對(duì)電網(wǎng)和鋼廠(chǎng)本身電氣設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生不良的影響。9091三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償Ⅱ段651進(jìn)線(xiàn)濾波器參數(shù)：651線(xiàn)路II段母線(xiàn)，裝5，7，11次單調(diào)諧濾波器

計(jì)算結(jié)果表：

6KV系統(tǒng)651進(jìn)線(xiàn)II段和666進(jìn)線(xiàn)III段實(shí)測(cè)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

Smax(kVA)Smin(kVA)Qc(kvar)Pmax(kw)Pmin(kw)Qmax(kvar)Qmin(kvar)ΔQ(kvar)651進(jìn)線(xiàn)II段3006.8536.96982405483.225024642038666進(jìn)線(xiàn)III段4503135195737831324244312261217

有電容器無(wú)電容器COSфImax(A)Imin(A)COSф

I(A)U(V)651進(jìn)線(xiàn)II段-0.9～0.8656.20.6～0.728050666進(jìn)線(xiàn)III段0.84～0.98856.50.85～0.740012092三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償Ⅱ段651進(jìn)線(xiàn)濾波器參數(shù)：651線(xiàn)路II段母線(xiàn)，裝5，7，11次單調(diào)諧濾波器

計(jì)算結(jié)果表：5次7次11次計(jì)算電阻值0.209?0.471?0.492?安裝Q1200kvar/4.6kV420kvar/4.6kV300kvar/4.6kV安裝C60.2μF21.07μF15.05μF基波無(wú)功Q1750.3kvar262.6kvar187.6kvarI有效97A26.3A19.6A無(wú)功運(yùn)行Q1058kvar287kvar214kvarL6.74mH9.82mH5.57mHR0.207?0.453?0.385?訂貨QC12×100kvar3×100kvar+3×40kvar3×100kvar定貨L6.7mH+5%/97A9.8mH+5%/27A5.6mH+5%/20A回執(zhí)

651線(xiàn)路II段母線(xiàn)，裝5，7，11次單調(diào)諧濾波器

93三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償5次加裝電容器計(jì)算電阻值0.209?

安裝Q900kvar/4.6kV450kvar/6.3kV安裝C45.15μF

基波無(wú)功Q1562.5kvar

I有效70.4A

無(wú)功運(yùn)行Q768.4kvar

L8.99mH

R0.282?

訂貨QC9×100kvar9×50kvar定貨L9mH+5%

回執(zhí)

666線(xiàn)路III段母線(xiàn)，裝5次單調(diào)諧濾波器及補(bǔ)償電容器

94三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償．

主要設(shè)備清冊(cè)序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)及規(guī)格單位數(shù)量備注1高壓開(kāi)關(guān)柜GG-1A臺(tái)3

2濾波電容器AFM4.6-100-1W臺(tái)28備用3臺(tái)3濾波電容器AFM4.6-40-1W臺(tái)6備用3臺(tái)4電容器AFM6.3-50-3W臺(tái)9

5濾波電抗器LKGKL-1.0-I臺(tái)3

6濾波電抗器LKGKL-1.0-II臺(tái)3

7濾波電抗器LKGKL-1.0-III臺(tái)3

8濾波電抗器LKGKL-1.0-IV臺(tái)3

9電抗器LKGKL-1.0-V臺(tái)3

10晶閘管控制柜TCR-11R臺(tái)1

11氧化鋅避雷器HY5WR310/27臺(tái)15

12熔斷器BRN-10-35P支30

13熔斷器BRN-10-20P支20

14放電線(xiàn)圈FD2-2.5/10臺(tái)6

15電流互感器LZZB-10100/5A臺(tái)3

16電流互感器LZZB-1050/5A臺(tái)3

17電抗器支架

組5

95

651線(xiàn)路II段母線(xiàn)，裝5，7，11次單調(diào)諧濾波器后濾波效果表：諧波次數(shù)

Is

If

THD(%)額定正偏負(fù)偏額定正偏負(fù)偏額定正偏負(fù)偏23.613.623.600.110.120.110.040.040.04320.4520.620.31.751.861.650.370.380.3647.037.286.821.721.991.520.170.180.16513.621.121.454.3740.580.90.420.750.7361.801.931.700.110.070.216.590.070.0679.0312.47.9216.6912.625.70.390.540.3381.171.211.130.330.290.380.060.060.0591.922.011.848.825.620.160.110.110.10102.053.201.640.892.160.450.130.200.10114.056.354.1815.813.121.10.270.430.27120.420.440.390.380.360.410.030.030.03135.735.855.583.573.443.730.450.470.43140.460.460.450.240.230.250.040.040.04150.680.690.670.320.310.300.060.060.05160.700.700.710.300.300.310.070.070.06178.128.168.083.283.243.250.840.860.82180.220.220.220.080.088.450.020.020.02194.814.824.791.791.781.810.560.560.54200.150.150.150.050.050.051.791.830.02210.370.370.370.130.130.130.050.050.05220.220.220.227.757.707.790.030.030.03235.665.675.651.941.931.950.790.810.78240.220.220.220.080.080.080.030.030.03253.823.823.821.281.271.280.580.600.57注：Is—注入系統(tǒng)電流（A）If—注入濾波器組電流（A）651線(xiàn)路II段母線(xiàn)，裝5，7，11次單調(diào)諧濾波器后濾波效果

96三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償651線(xiàn)路II段母線(xiàn)的濾波器阻頻特性及系統(tǒng)與濾波器的阻頻特性：

97三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償98三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償666線(xiàn)路III段母線(xiàn)的濾波器阻頻特性及系統(tǒng)與濾波器的阻頻特性：

99三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償100三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償7、動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償101三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償102三、電力系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償103四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)（一）無(wú)源與有源電力濾波技術(shù)比較1、有源電力濾波技術(shù)原理104四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)2、無(wú)源濾波器主要優(yōu)缺點(diǎn)：1）優(yōu)點(diǎn)a、成本較低無(wú)源濾波器的成本主要由電力電容器、電抗器、電阻器和開(kāi)關(guān)的成本構(gòu)成，價(jià)格較低。b、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由電力電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，不涉及復(fù)雜的電路。c、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便在正常運(yùn)行情況下，電力電容器、電抗器和電阻器可靠性較高，不易損壞。同時(shí)，便于運(yùn)行人員正常的維護(hù)和事故情況下的檢修。105四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)2）缺點(diǎn)a、補(bǔ)償性能變化大由于電容器、電抗器和電阻器的參數(shù)變化以及系統(tǒng)頻率的偏差，濾波器的實(shí)際調(diào)諧點(diǎn)可能高于或低于設(shè)計(jì)的調(diào)諧點(diǎn)，從而使得濾波器的濾波特性不穩(wěn)定。此外，濾波器的濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行情況密切相關(guān)，隨系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化和不同濾波器組的投切，在特定情況下無(wú)源濾波器還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，引起注入系統(tǒng)和濾波器的諧波電流發(fā)生放大，嚴(yán)重時(shí)將損壞濾波器和其它用電設(shè)備。106四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)b、動(dòng)態(tài)性能差無(wú)源濾波器適合用于諧波電流較穩(wěn)定的場(chǎng)合，當(dāng)負(fù)載電流有較大的動(dòng)態(tài)變化時(shí)，濾波器濾除諧波的效果將變差。c、適應(yīng)能力差無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)是工程性質(zhì)的，對(duì)具體工程應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，即所謂的“量體裁衣”，雖可適合相應(yīng)工程情況，但不便于象其它電氣產(chǎn)品一樣規(guī)格化生產(chǎn)，以便于推廣應(yīng)用。

d、體積大無(wú)源濾波器體積大，占地面積大。107四、無(wú)源與有源混合補(bǔ)償技術(shù)3、有源濾波器主要優(yōu)缺點(diǎn)：1）優(yōu)點(diǎn)

a、補(bǔ)償性能好有源電力濾波器不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振，濾波效果較穩(wěn)定。

b、動(dòng)態(tài)性能好有源電力濾波器適合用于負(fù)載諧波電流有