第16專利無源消諧和電容補償裝置

1、無源動態(tài)濾波及無功補償裝置一 諧波的產(chǎn)生及其主要構(gòu)成成分諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的，但電網(wǎng)諧波的主要構(gòu)成并不復(fù)雜。電網(wǎng)諧波是指基波的整數(shù)倍的高次波，即2、3、4、5次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由于信號正負(fù)半周的不對稱所形成的，而電網(wǎng)中電流正負(fù)半周的不對稱的情況不常見，因此偶次諧波的含量很小。在三相系統(tǒng)中，3、6、 9等3 的整數(shù)次諧波的相位相同，在三相三線的系統(tǒng)中不能流通，在三相補償電容器中也不能流通。只要不是分相補償就不需要考慮3 的整數(shù)次諧波的影響。諧波是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的，主要是整流濾波，它在電網(wǎng)中產(chǎn)生PN次諧波，P是一個周期內(nèi)整流形成的直流波頭數(shù)，N是自然數(shù)，三相整流最低諧波次數(shù)是5

2、 次。變頻器是由三相整流后再振蕩成需要的頻率輸出，這些振蕩的頻率被整流濾波電路隔離不會直接反饋到電網(wǎng)中去。因此變頻器屬于三相整流負(fù)載，產(chǎn)生5次以上的諧波。常見的變頻器控制大電機系統(tǒng)。產(chǎn)生無功功率的是電機；產(chǎn)生諧波的是變頻器。變頻器的整流部分。是典型的6脈動整流負(fù)荷，所產(chǎn)生的諧波為6k±1次奇次諧波。理論上如果在直流側(cè)安裝容量很大的平波電抗器。則其交流側(cè)的電流波形應(yīng)為近似120º的矩形波，如下圖所示： 6脈動整流器理論波形但實際的整流器交流側(cè)的電壓電流波形畸變較為嚴(yán)重，電流波形應(yīng)該為典型的雙駝峰形。6脈動整流器理論波形采用傅立葉級數(shù)對上面的電流波形進行分解變換，可知電流波形含

3、有6K±1次高次諧波，即5次、7次、11次等高次諧波，諧波頻譜圖如下： 6脈動整流諧波頻譜圖上圖可以看出，基波電流1100A；3次、13次、19次、25次、31、35次、37次諧波基本可以忽略；5次諧波380A占35%；7次諧波50A占4.5%；11次諧波100A占9%；17次諧波50A占4.5%；23次諧波20A占1.8%；29次、35次諧波11A各占1%。GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中規(guī)定表2：注入公共聯(lián)接點的諧波電流允許值標(biāo)稱電壓kV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A23456789101112130.381078623962264419211

4、6281324標(biāo)稱電壓kV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1146.512對比標(biāo)準(zhǔn)：5次、7次、11次、17次、23次諧波超標(biāo)，7次、23次比較接近標(biāo)準(zhǔn)，5次、11次、17次遠離標(biāo)準(zhǔn)，而以5次為甚，需要重點對5次為主的諧波進行治理。二. 諧波治理及無功補償按照江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)2008年合訂本，DGJ32/J 14-2007中第4.0.1.1：容量在100KVA及以上，供電電壓在10KV以上的用戶，功率因數(shù)不低于0.95。我們

5、就設(shè)定把功率因數(shù)提高到0.95。以此計算無功補償并聯(lián)電容的容量。在設(shè)備開動時，設(shè)備中產(chǎn)生的感性無功被自動補償控制器檢測出，自動補償控制器令合上相應(yīng)路數(shù)的電容，產(chǎn)生容性無功以其與它抵消，無功補償裝置就是這樣周而復(fù)始的工作著?，F(xiàn)在加入了變頻器等電子設(shè)備，產(chǎn)生了諧波，電容對于高次諧波阻抗又很小，更容易通過，所有的高次諧波在電容上與基波疊加通過，就會使電容過流，發(fā)熱損壞。不能在電容上通過的電流就會去污染電網(wǎng)。一般5次諧波占比例最多?，F(xiàn)在在電容補償器的每路電容前串聯(lián)一只電抗器，令XC5- XL5 = 0，做成在5次頻率下串聯(lián)諧振回路，也就是在5次諧波時它們的阻抗最小，而越偏離5次諧波則阻抗越大。主要濾除

6、5次頻率的諧波電流，從而避免其流入系統(tǒng)。也就是采用單調(diào)諧濾波器。那么電容在流過正常的無功補償電流后，還有沒有可能再流過5次諧波的電流呢？首先來看本系統(tǒng)中諧波電流有多大。電氣設(shè)備中常見非線性負(fù)載諧波含量如表1所示：表1 諧波含量表負(fù)載類型典型諧波含量（%）負(fù)載類型典型諧波含量（%）變頻器3350客戶電梯1530中頻感應(yīng)加熱電源3035六脈沖整流器2838LED燈1520十二脈沖整流器1012節(jié)能燈1530電焊機2558電子鎮(zhèn)流器1518變頻空調(diào)634開關(guān)電源2030UPS1025表中可見，變頻器產(chǎn)生的諧波含量為33%50%，是除電焊機以外占比最大。那么一般單位補償電容只要有通過1.5倍額定電流的

7、能力就可行。 我們再來查電容的國家標(biāo)準(zhǔn)GB12747-91 自愈式低壓并聯(lián)電容器其中4.1.5.3 穩(wěn)態(tài)過電流是這樣說的： “電容器單元應(yīng)能在方均根值不超過1.3倍該單元額定頻率、額定正弦電壓和無過渡狀態(tài)時產(chǎn)生的電流的穩(wěn)態(tài)過電流下連續(xù)運行。由于電容可能達到最大正偏差1.15Cn，這個過電流可能達到1.50In，它是由于高至1.10Un過電壓和高次諧波共同作用的結(jié)果?！睆臉?biāo)準(zhǔn)可以看出電容應(yīng)該能夠承擔(dān)最大1.50In，本系統(tǒng)總諧波含量占總功率33%50%，如果單獨5次諧波的電流將小于總諧波含量，在電容國標(biāo)允許范圍中。這樣補償裝置與消諧合用電容的方案成立。 補償與消諧共用一套電容是合理的，原因是諧波

8、就是隨設(shè)備開動而產(chǎn)生的，而設(shè)備一當(dāng)運行，就會產(chǎn)生無功電流及相應(yīng)的補償電流，這個電流里當(dāng)然就包含了一定比例（一般在50%以內(nèi)）的特定諧波。匹配的電抗把特定諧波去電容的門打開，特定諧波就從電容那里濾掉。電容正好有高于額定電流50%的富裕量，從容讓小于總諧波含量的特定諧波經(jīng)過。這樣在電網(wǎng)端就不會呈現(xiàn)主諧波干擾了。從上面頻譜圖上可以看出，主要的5次諧波濾除后（該電抗對5次諧波附近的諧波阻抗也不會很大，也有一定的過濾作用），其它高次諧波占比例就很低了，不會超過GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中：注入公共連接點的諧波電流允許值。將電容用來既做補償（主要功能），又兼作治理諧波的作用。充分挖掘了電

9、容的潛力，使治理諧波的成本降低，設(shè)備簡潔。事實上，如果分別做補償和消諧設(shè)備是有弊端的： 專門用于補償?shù)碾娙菀驗闆]有匹配的電抗阻擋，大批諧波電流（尤其頻率高的優(yōu)先）將可能涌入而導(dǎo)致?lián)p壞； 而專門的消諧電容除消諧外，電抗對基波基本沒有阻擋，無功電流照樣在經(jīng)過，可能會使線路過補償，使原先有用的容性電流變成有害的過補償電流（過補償也要罰款）。當(dāng)然設(shè)備成本也會增加。江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（2008年合訂本）DGJ32/J 14-2007，4.0.5無功補償裝置應(yīng)具有抑制諧波的濾波裝置和涌流裝置的功能。明確了系統(tǒng)中有諧波時，無功補償裝置必須帶濾波裝置的規(guī)定。

10、本設(shè)計符合此標(biāo)準(zhǔn)。電容容量可按照下面公式計算或者查表，表里是公式括弧里的數(shù)值。如果是已經(jīng)有電容補償柜，現(xiàn)在需要消諧，則補償電容不需要另行計算，只要用原來的補償電容就可以了。計算公式為：3.電抗器的確定眾所周之，電網(wǎng)電壓流入電抗器后，對基波不會有大的影響，但眾所周知，電網(wǎng)電流流入電抗器后，對基波不會有什么影響。但對諧波來說卻有較大的阻礙作用。 設(shè)En為n次諧波源電動勢；XB、XL分別為變壓器、電抗器的等值感抗；XC為電容器組的等值容抗；n為諧波次數(shù)；In為n次諧波總電流。顯然， In=En/nXB+(nXL-XC/n) (1)對于一般電路來說，起主要作用的是3、5、7、11 等次諧波。如果達到諧

11、振 nXL-XC/n=03次諧波時 3XL-XC/3=0XL=0.111XC5次諧波時 5XL-XC/5=0XL=0.04XC7次諧波時 7XL-XC/7=0XL=0.02XC從式(1)可以看出，當(dāng)nXL-XC/n>0即電容器組回路呈感性時，可使諧波電流減小，因此抑制諧波電流的電抗值應(yīng)滿足nXL-XC/n>0的條件，又考慮到電抗值應(yīng)有一定余量，工程上常取可靠系數(shù)a=1.5，串聯(lián)電抗器的電抗值應(yīng)按下式選取： XL=aXC (2)如限制5次諧波電流，則應(yīng)?。?XL=1.5(0.04XC)=0.06XC則：XL/XC=0.06式中0.06為限制5次諧波電流時，電抗器工頻額定電抗XL與電容

12、器工頻額定容抗XC的比值，稱為電抗率，用字母K表示。即：K= XL/XC (3)在5次諧波時，由式(3)可知，電抗率K=6%時，才能濾掉5次以上諧波。綜上所述，對于額定頻率為50Hz的電力系統(tǒng)中，濾波裝置在不同場合的電抗率選擇如下： XL=0.1%1%·XC 不考慮諧波影響，僅需抑制合閘涌流;XL=4.5%6%·XC 限制5次以上高次諧波的影響;XL=12%13%·XC 限制3次以上高次諧波的影響。目前所用的配電變壓器高壓側(cè)多接成“”型，這樣三次諧波因相序相同，即零序的感應(yīng)的三次諧波電流在三角形繞組內(nèi)環(huán)流，不易竄入電網(wǎng)。因此需濾除5次及以上的諧波，宜選用6%電抗率

13、的電抗器。經(jīng)驗采用7%電抗率的電抗效果會更好些。在電容器并聯(lián)補償回路中串聯(lián)電抗器之后，電容器兩端基波電壓Uc已不再是系統(tǒng)額定電壓Us，并且會大于系統(tǒng)額定電壓Us，如果此時選擇的電容器額定電壓還是系統(tǒng)額定電壓，電容器就會嚴(yán)重發(fā)熱，縮短使用壽命，嚴(yán)重者甚至燒毀。因此，計算串聯(lián)電抗器之后的電容器兩端實際電壓顯得尤為重要。令電容器支路的電容基波電抗為Xc，電抗器基波電抗為XL，則電容器兩端基波電壓 如果忽略系統(tǒng)諧波和系統(tǒng)電壓波動，可選擇440V；考慮到系統(tǒng)諧波的不確定性和系統(tǒng)電壓波動，一般選擇480V。根據(jù)江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（2008年合訂本）DGJ

14、32/J 14-20074.0.6低壓無功補償裝置應(yīng)采用復(fù)合開關(guān)電器、半導(dǎo)體開關(guān)電器等，具有過零自動投切功能。4.0.7低壓無功補償裝置應(yīng)采用分相補償或混合補償，實施等容量或不等容量循環(huán)自動投切根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)精神，應(yīng)設(shè)計成多段容量的循環(huán)自動投切，并采用復(fù)合電子開關(guān)進行過零自動切換。如果是三相電機負(fù)載，可以不設(shè)計分相補償。計算實例：一新建單位，負(fù)載性質(zhì)是變頻器控制大電機系統(tǒng)，電機計算總功率1070KW，設(shè)備開動率75%。設(shè)計無源補償、消諧裝置。設(shè)備實際開動功率是1070×0.75=877.5KW設(shè)備原來功率因數(shù)假設(shè)為0.75，需要提高到電業(yè)部門要求的0.95，查表得0.555，需要補償電容：877.5×0.555=487Kvar選490Kvar電容的