供电系统的无功补偿与谐波抑制

第2卷第6期2001年0月

解放军理工大学学报(自然科学版)

V o l . 2N o. 6D ec . 2001

文章编号:100923443(2001) 0620058205

供电系统的无功补偿与谐波抑制

王金全1, 　杨守城2, 　郭铁英3, 　唐友怀1

(1. 解放军理工大学工程兵工程学院, 江苏南京210007; 2. 广州军区工程设计所, 广东广州510515;

3. 海军航空兵后勤装备部, 北京100071)

摘　要:分析了供电系统无功功率与谐波的危害以及无功补偿与谐波抑制的现状、存在问题及发展趋势, 阐述了在工程上采用分散无功补偿的可行性和设置滤波器的必要性, 指出了加强动态无功补偿装置和有源电力滤波器及其工程应用研究是供电系统建设和科研的一个重要方向。关键词:供电系统; 无功补偿; 谐波抑制; 电能质量中图分类号:TM 714文献标识码:A

V a r C om pe ns a tion a nd A nti 2Ha r m onic of P ow e r S upp ly S ys tem

W A N G J in 2quan , 　YA N G S hou 2cheng , 　GUO T ie 2y ing , 　TA N G Y ou 2hua i

2. Engineering D esign In stitu te of Guangzhou M ilitary A reas , Guangzhou 510515, Ch ina ; 3. M in istry of L ogistics and Equ i pm en t , A vigati on Fo rces of N avy , Beijing 100071, Ch ina )

1

2

3

1

(1. Engineering In stitu te of Engineering Co rp s , PLA U n iv . of Sci . &T ech . , N an jing 210007, Ch ina ;

Abs tra c t :In th is p ap er , the harm fu lness of the V ar pow er and the electric harm on ic of the pow er supp ly

system , togerther w ith the statu s , p rob lem s and the tendency of V ar com p en sati on and an ti 2harm on ic techno logies , is analysised . A lso , the feasib ility of the app licati on of distribu ted V ar 2com p en sati on and the necessity on setting electric filters in engineerings are discu ssed .

It is po in ted ou t that it w ou ld be an

i m po rtan t asp ect of the con structi on and research of the pow er supp ly system to in ten sify the developm en t and the app lied study of dynam ic V ar com p en sati on equ i pm en ts and the active pow er filters (A PF ) .

Ke y w o rds :pow er supp ly system ; var pow er com p en sasti on ; an ti 2harm on ic ; electricity quality

　　以前, 人们着力于供电可靠性的研究, 对重要工程的供电系统制定了采用双回路与公用电网连接以及设置内部备用电站等增强供电可靠性的措施和标准, 确保工程内部在紧急状态下有电可用, 为重要工程供电系统的建设奠定了基础。随着技术的进步和发展, 特别是随着微电子技术和计算机技术的飞速发展, 各种基于微电子及计算机网络的自动化系统得到了快速发展和应用。实践证明, 它们的应用不仅要求供电可靠性高, 而且对电源质量也提出了更高的要求, 如需要设置专门的U PS 、开关电源和整流稳压电源, 然而, 这些装置又反过来严重地影响了供

　　收稿日期:2001207202.

作者简介:王金全(1963-

电网络的电能质量, 使供电系统的电能质量指标严重恶化。另外, 由于公用电网中电力电子设备的广泛应用, 特别是紧急状态下公用电网的不稳定, 必将使市电质量趋于恶化; 加之工程内部通风空调系统也越来越多地采用变频调速装置(及软启动装置) 、通讯系统采用可控整流和稳压装置, 照明系统采用调功调光装置等, 这些电力电子装置都具有严重的非线性特性, 使工程内部供电系统电能质量愈益恶化, 引起诸如电压闪变、电压严重跌落, 电流或电压波形严重畸变, 功率因数严重降低等, 造成电气设备可用容量大大下降。特殊情况下, 当外部电源瘫痪使用内部自备电源时, 因容量限制将难以满足内部设备的供电要求。因此, 供电系统的电能质量问题已不容回

) , 男, 硕士, 副教授.

第6期

王金全, 等:供电系统的无功补偿与谐波抑制59　

避, 其中采用无功功率动态补偿和谐波抑制以实现电压稳定和波形畸变抑制问题尤为突出, 它将关系到紧急状态特别是未来战争情况下各种指挥、通讯和自动化设备以及工程内部通风空调设备能否正常运行。对于国防工程等重要军事设施来说, 供电质量的好坏将直接影响作战指挥系统的工作, 与战争的成败相关联。

上作为电气设备功率设计的极限值, 其中额定电流由导线截面积和铜耗决定, 额定电压由绝缘性能决定。而无功功率表示含储能元件的电路或系统的一种功率互换的幅度, 单相电路中功率互换直接发生在电源与储能设备(电感、电容) 之间, 三相电路则表现在通过具有储能特性的负载在三相之间进行能量相互交换, 即无功功率在三相之间来回流动, 任一瞬时三相无功之和恒等于零。

对于非正弦交流电路来说, 电流和电压可进行傅氏分解并表示成级数形式, 有功功率和视在功率仍然可表示为:

∞

1　供电系统的无功功率、谐波及危害

供电系统中的负载大多呈感性, 如用于通风、空调、水泵的异步电动机、用于照明的众多荧光灯以及用于通讯和计算机系统的整流器、电子稳压电源等。其中电动机、荧光灯等负载以及变压器和电抗器必须消耗无功功率才能正常工作, 这是其本身电特性所决定的。而变频器、整流器、电子稳压电源等电力电子装置通常采用相控方式, 其交流侧的电流也常常落后于电压, 它们不但要消耗大量的无功功率, 还要产生大量的谐波电流, 即使简单的二极管整流装置其交流侧电压电流基本同相, 但由于电流波形的畸变, 其产生的大量谐波电流也要消耗无功功率。在许多重要工程中, 供电系统的谐波除了工程内部电气设备产生外, 还大量地从公用电网引入。由于公用电网中越来越多地采用电力电子装置, 特别是工业用电弧炉、电焊机、各种大型变流器、变频器等; 发电机本身磁场分布的非正弦也产生谐波, 它们都会沿传输线路侵入并危害工程内部供电系统。曾经有过这样的例子, 某工厂的电动机运行一直正常, 但一段时间以来却连续出现损坏, 经查是由于接在同一电网的某工厂新近投入了大型整流装置但未采用消除谐波的措施, 其谐波电流流入该厂导致了电动机的损坏。因此由公用电网侵入的谐波也是工程供电系统谐波的重要组成部分。

在电工理论中, 对纯正弦交流电路定义了3种功率:有功功率、无功功率和视在功率, 它们分别是:

P =U I co s U

Q =U I sin U S =U I

P =

∑U

n =1

n

I n co s U n

∞

n

∞

S =U I =

∑U

n =1

2

∑I

n =1

n

2

　　其中U n 、电流I n 分别为基波和各次谐波电压、有效值。

对于含有谐波的非正弦电路的无功功率, 目前尚无科学而权威的定义。一般仿照纯正弦电路定义无功功率如下:

Q =

S -2

P

2

　　它仍然反映了能量的流动和交换。作一般分析时, 考虑到电网电压波形的畸变小, 而电流波形畸变大, 因而忽略电压波形的畸变而只考虑电流波形畸变的影响, 这对公用电网无功功率分析具有很大的实用意义。此时各功率可表示如下:

P =U I 1co s U 1Q 1=U I 1sin U 1

∞

S =U I =P +Q +U

2222

2

1

2

∑I

n =2

2n 2

=P 2+Q 21+D

∞

D =U

2

∑I

n =2

n

2

　　这里将无功功率分解为两项, 其中Q 1表示基波电流产生的无功功率, D 表示谐波电流产生的无功

功率。则功率因数可表示为:

K =

==co s U 1=v K 1S U I I , 称为基波因数或波形畸变因数, K 1I

其中

S =P +Q

2

2

2

　　式中:v =

为基波功率因数或称为位移因数。

可见, 非正弦电流电路的功率因数不仅取决于电流相移, 而且与电流波形畸变即谐波大小密切相关, 它等于基波位移因数与波形畸变因数之乘积。因此电流畸变或电路中含有谐波时将导致无功功率增大, 功率因数降低, 从而使设备电气容量的可利用率

　　其中, 有功功率P 表示瞬时电压与瞬时电流乘积即瞬时功率在一个周波内积分的平均值, 其物理意义是交流平均功率; 视在功率S 表示电气设备的最大可利用容量, 它是电压电流有效值的乘积, 工程

下降。这对于重要工程的供电系统是极为不利的, 因为象国防工程这样的重要工程, 其自备发电容量按传统设计时均未考虑谐波的影响, 功率因数按0. 8左右考虑, 电源容量裕度有限, 当工程内使用的电力电子设备增加引起谐波含量较大时, 自备发电机组将难以保证负荷设备的供电需求。

无功功率增大还将引起设备和线路损耗增加, 使传输线路和变压器的压降增大。对于架空线路, 有功功率的波动对电网电压的影响较小, 电网电压波动主要是无功功率的波动造成的, 如果是冲击性无功功率负载, 将引起电压的剧烈波动。

电网谐波的危害除了降低功率因数和电气设备容量的利用率外, 还将产生附加损耗; 对于三相四线制系统还有大量3N 次谐波流过中线, 使线路过热、烧毁甚至发生火灾; 谐波将影响电气设备的正常工作, 如引起电气设备机械振动、噪声和过电压, 使变压器、电容器、电缆等设备过热、加速绝缘老化、缩短使用寿命甚至损坏; 谐波还可能导致电网局部谐振, 引起谐波放大, 造成恶性循环; 谐波还能导致保护及自动装置误动作, 使常规测量仪表的精度大大降低。另外, 谐波将对邻近通讯系统、指挥系统、自动化系统以及包含微电子或计算机设备的系统造成严重干扰, 轻者产生噪声、降低运行质量, 重者导致信息丢失, 无法正常工作。

总之, 供电系统中无功功率和谐波对电气设备及通讯、指挥、自动化系统的影响严重, 在重要的军事及人防工程中是难以容忍的, 必须采取措施进行补偿或滤除, 将其限制在一定的水平, 才能保证工程内部设备及各种信息与自动化系统安全可靠、稳定高效地运行。

率因数得到了提高。

根据电容器安装位置不同, 并联电容补偿有三种方式。一是将电容器组集中安装在母线上, 以提高整个变电所的功率因数, 减少进线线路的无功损耗。二是分区补偿, 将电容器组分别装设在功率因数较低的分区母线上, 补偿效果更好, 缺点是补偿范围比集中补偿时小。三是就地补偿, 针对感性设备如异步电动机、以荧火灯为主的照明线路等, 将电容器或电容器组安装在负载设备附近, 就地进行无功补偿, 称为单独补偿或个别补偿。这种方式优点是既能提高用电设备供电回路的功率因数, 又能改善用电设备的电压质量, 缺点是电容器安装分散, 维护工作量大。随着国产低压自愈式电容器生产水平的提高和产品型号的完善, 为就地补偿方式的推广采用创造了条件。目前, 国防工程中都采用集中补偿方式, 主要减少架空进线线路的电压损耗, 随着电容器产品的发展, 宜根据工程负荷的实际情况, 逐步推广采用就地补偿或分组补偿方式, 以进一步降低无功损耗, 提高设备供电质量。2. 2　谐波抑制的现状

图1　并联电容补偿无功功率原理和相量图

F ig . 1　P rinci p le and phase diagram of var compen sati on

by paralleling capacito r

2　无功补偿与谐波抑制的现状

2. 1　无功功率补偿的现状

消除供电系统谐波的方法主要有两种:一种是采用无源L C 滤波器或有源电力滤波器滤波; 第二种是改造谐波源, 如提高变流器的相数, 采用高功率因数整流器等。目前工程上应用最多的还是无源L C 滤波器, 它结构简单、投资少、可靠性高、运行费用也比较低。

滤除谐波的原理实质上是为电路中的谐波提供一条释放路径, 即保留基波而使谐波短路, 使谐波可通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统, 如图2所示。

电容和电L C 无源滤波器由适当数值的电感、阻组合而成, 如图3所示。滤波器设置在需要滤除

的谐波频率上使感抗和容抗相等而抵消, 通常称为调谐。在调谐频率上滤波器表现出低阻抗特性, 这样

　　在电力系统中, 控制无功功率的方法很多, 包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。在许多工程的供电系统中, 由于阻感型负载居多, 总等效负载呈感性, 通常采用并联电容器补偿无功功率, 提高功率因数。当启用自备发电机组供电时, 都配有自动励磁调压装置对无功和电压进行自动调节。

并联电容补偿无功功率的原理如图1所示:可见, 给R , L 电路并联电容C 后, 电压相量U a

与电流相量I a 之间的相位差变小了,

整个回路的功

图2　滤波原理示意图

F ig . 2　P rinci p le of E lectric H amon ic F iltrati

on

图4　双调谐滤波器原理及阻抗频率特性

F ig . 4　Doub le 2tun ing electric filter and its i m pedance 2

frequency

characteristic

图3　单调谐滤器原理及阻抗频率特性

F ig . 3　Single 2tun ing electric filter and its i m pedance 2

frequency characteristic

图5　高通滤波器原理电路

F ig . 5　C ircu it of h igh 2pass

filter

该频次谐波就可顺利通过滤波器而返回谐波源。对

于非调谐的基波和其它次谐波, 滤波器则表现为高阻抗, 因而影响很小。L C 调谐滤波器通常有单调谐和双调谐两种, 所谓双调谐是指滤波器有两个谐振频率, 其阻抗频率特性成W 型, 如图4所示, 它分别可滤除两个频率的谐波。除调谐滤波器外, 还有高通L C 滤波器或称为减幅滤波器, 它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻抗特性。高通滤波器分为一阶、二阶、三阶和C 型高通滤波器, 如图5所示。工程上一般采用二阶高通滤波器, 其阻抗频率特性如图6所示。在实际工程应用中, 根据供电系统中谐波的组成成份, 常设置两组L C 滤波器, 一组为调谐滤波器, 滤除含量较大的谐波, 另一组为高通滤波器, 对所有谐波实现减幅。

以前, 由于电力电子装置应用不多, 一般工程的供电系统谐波问题并不突出, 通常都不设置专门的滤波器。随着电力电子装置在公用电网和工程内部应用的不断增多, 谐波问题日渐突出。事实上, 谐波问题早在电子型整流器开始使用时即已出现, 由于近年来众所周知的原因未能表现出来。可以预见, 滤除谐波、净化电源将是国防工程供电系统今后所面临的最重要的问题之一

。

图6　二阶高通滤波器阻抗频率特性

F ig . 6　Characteristic of the second o rder h igh 2pass

filter

3　无功补偿和谐波抑制的发展趋势

采用电容器进行无功功率补偿属于静态补偿。由于容抗是固定的, 因而无功补偿量也是固定不变的, 它不能跟随供电系统中感性负荷的变化而变化, 所以不能实现无功功率的动态补偿。随着电力系统的发展, 对无功功率的动态补偿需求越来越大。特别是考虑到在未来战争中, 敌方可能将电力系统作为重要打击目标, 电网中电源和负载扰动都可能很大, 仅仅采用电容器进行固定补偿显然不能满足供电系统发展的要求。

随着电力电子技术的发展及其在电力系统的应

用, 使用晶闸管对电抗器和电容器进行实时投切, 构成晶闸管控制电抗器(TCR ) 和晶闸管投切电容器(T SC ) , 可以根据电网中无功功率的状况进行无功动态补偿。1977年GE 公司首次在电网中进行了试验, 1978年西屋公司的产品投入实际运行, 1980年以来, 我国已开始研制和投用晶闸管控制的静止无功补偿装置。随着电力电子技术的进一步发展, 近年来出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置, 通常称为静止无功发生器(SV G ) 或高级静止无功补偿器(A SV C ) , 也叫静止调相机(STA TCON ) 。SV G 的基本原理就是将自换相桥式电路并联在电网上(或者通过电抗器与电网并联) , 通过调节桥式

规程规范, 采用三相五线制配电系统, 并适当增加中性线截面积, 为3N 次谐波的泄放提供较大的裕量。最后, 应加强有源电力滤波器及其在工程供电系统中的应用研究, 最终实现动态无功补偿和谐波抑制, 为用电设备和通讯信息系统提供高质量电源和工作环境。参考文献:

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与无功补偿相似, 传统的无源L C 滤波器, 尽管其结构简单、运行可靠、使用经济, 但由于其滤波频率可调性差, 补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响较大, 且易与系统发生并联谐振, 导致谐波放大使滤波器过载甚至烧毁, 补偿效果亦不理想, 因此必须寻求新型的滤波装置。近年来, 有源电力滤波器的发展使其成为可能, 它通过实时检测电网的电压电流, 经运算处理后得到补偿控制指令, 控制主电路产生谐波补偿电流与电网中谐波电流相抵消, 从而实现谐波滤除。有源电力滤波器不仅可以实现滤波, 而且能实现无功动态补偿, 它是当前无功补偿和谐波抑制技术领域最重要的一个研究发展方向。

当然在实际应用中, 必须坚持可靠实用的原则。针对目前技术发展与工程实际状况, 无功功率补偿宜采取集中补偿与分区补偿相结合的方式, 即在配电母线上设置一定容量的基本补偿电容, 在无功功率消耗较大的用电设备配电柜或分区母线上设置自逾式电容进行分散补偿, 这对于保障轴线较长的重要工程供电质量非常重要, 设计时应进行多种方案的比较和分析计算。在谐波抑制方面, 主要应考虑两个方面:一是在配电母线上设置滤波器以消除通过公用电网引入的谐波; 二是在大型电力电子设备的配电柜上设置滤波器以消除设备产生的谐波。滤波器可采用调谐滤波器与高通滤波器的组合, 其参数应根据工程实际计算或测试后进行设计。另外, 为减少谐波干扰增强供电系统的可靠性, 必须严格执行

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(责任编辑:熊　云)