第16专利无源消谐和电容补偿装置

无源动态滤波及无功补偿装置一谐波的产生及其主要构成成分谐波产生的原因是多种多样的，但电网谐波的主要构成并不复杂。电网谐波是指基波的整数倍的高次波，即2、3、4、5……次谐波。各次谐波中，偶次谐波是由于信号正负半周的不对称所形成的，而电网中电流正负半周的不对称的情况不常见，因此偶次谐波的含量很小。在三相系统中，3、6、9……等3的整数次谐波的相位相同，在三相三线的系统中不能流通，在三相补偿电容器中也不能流通。只要不是分相补偿就不需要考虑3的整数次谐波的影响。谐波是由非线性负荷产生的，主要是整流滤波，它在电网中产生PN次谐波，P是一个周期内整流形成的直流波头数，N是自然数，三相整流最低谐波次数是5次。变频器是由三相整流后再振荡成需要的频率输出，这些振荡的频率被整流滤波电路隔离不会直接反馈到电网中去。因此变频器属于三相整流负载，产生5次以上的谐波。常见的变频器控制大电机系统。产生无功功率的是电机；产生谐波的是变频器。变频器的整流部分。是典型的6脉动整流负荷，所产生的谐波为6k±1次奇次谐波。理论上如果在直流侧安装容量很大的平波电抗器。则其交流侧的电流波形应为近似120º的矩形波，如下图所示：6脉动整流器理论波形但实际的整流器交流侧的电压电流波形畸变较为严重，电流波形应该为典型的双驼峰形。采用傅立叶级数对上面的电流波形进行分解变换，可知电流波形含有6K±1次高次谐波，即5次、7次、11次等高次谐波，谐波频谱图如下：6脉动整流谐波频谱图6脉动整流器理论波形上图可以看出，基波电流1100A；3次、13次、19次、25次、31、35次、37次谐波基本可以忽略；5次谐波380A占35%；7次谐波50A占4.5%；11次谐波100A占9%；17次谐波50A占4.5%；23次谐波20A占1.8%；29次、35次谐波11A各占1%。GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》中规定表2：注入公共联接点的谐波电流允许值标称电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A23456789101112130.3810786239622644192116281324标称电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1146.512对比标准：5次、7次、11次、17次、23次谐波超标，7次、23次比较接近标准，5次、11次、17次远离标准，而以5次为甚，需要重点对5次为主的谐波进行治理。二.谐波治理及无功补偿按照江苏省工程建设标准《35KV及以下客户端变电所、居住区供配电设施建设标准》2008年合订本，DGJ32/J14-2007中第4.0.1.1：容量在100KVA及以上，供电电压在10KV以上的用户，功率因数不低于0.95。我们就设定把功率因数提高到0.95。以此计算无功补偿并联电容的容量。在设备开动时，设备中产生的感性无功被自动补偿控制器检测出，自动补偿控制器令合上相应路数的电容，产生容性无功以其与它抵消，无功补偿装置就是这样周而复始的工作着。现在加入了变频器等电子设备，产生了谐波，电容对于高次谐波阻抗又很小，更容易通过，所有的高次谐波在电容上与基波叠加通过，就会使电容过流，发热损坏。不能在电容上通过的电流就会去污染电网。一般5次谐波占比例最多。现在在电容补偿器的每路电容前串联一只电抗器，令XC5-XL5=0，做成在5次频率下串联谐振回路，也就是在5次谐波时它们的阻抗最小，而越偏离5次谐波则阻抗越大。主要滤除5次频率的谐波电流，从而避免其流入系统。也就是采用单调谐滤波器。那么电容在流过正常的无功补偿电流后，还有没有可能再流过5次谐波的电流呢？首先来看本系统中谐波电流有多大。电气设备中常见非线性负载谐波含量如表1所示：表1谐波含量表负载类型典型谐波含量（%）负载类型典型谐波含量（%）变频器33~50客户电梯15~30中频感应加热电源30~35六脉冲整流器28~38LED灯15~20十二脉冲整流器10~12节能灯15~30电焊机25~58电子镇流器15~18变频空调6~34开关电源20~30UPS10~25表中可见，变频器产生的谐波含量为33%~50%，是除电焊机以外占比最大。那么一般单位补偿电容只要有通过1.5倍额定电流的能力就可行。我们再来查电容的国家标准《GB12747-91自愈式低压并联电容器》其中4.1.5.3稳态过电流是这样说的：“电容器单元应能在方均根值不超过1.3倍该单元额定频率、额定正弦电压和无过渡状态时产生的电流的稳态过电流下连续运行。由于电容可能达到最大正偏差1.15Cn，这个过电流可能达到1.50In，它是由于高至1.10Un过电压和高次谐波共同作用的结果。”从标准可以看出电容应该能够承担最大1.50In，本系统总谐波含量占总功率33%~50%，如果单独5次谐波的电流将小于总谐波含量，在电容国标允许范围中。这样补偿装置与消谐合用电容的方案成立。补偿与消谐共用一套电容是合理的，原因是谐波就是随设备开动而产生的，而设备一当运行，就会产生无功电流及相应的补偿电流，这个电流里当然就包含了一定比例（一般在50%以内）的特定谐波。匹配的电抗把特定谐波去电容的门打开，特定谐波就从电容那里滤掉。电容正好有高于额定电流50%的富裕量，从容让小于总谐波含量的特定谐波经过。这样在电网端就不会呈现主谐波干扰了。从上面频谱图上可以看出，主要的5次谐波滤除后（该电抗对5次谐波附近的谐波阻抗也不会很大，也有一定的过滤作用），其它高次谐波占比例就很低了，不会超过GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中：注入公共连接点的谐波电流允许值。将电容用来既做补偿（主要功能），又兼作治理谐波的作用。充分挖掘了电容的潜力，使治理谐波的成本降低，设备简洁。事实上，如果分别做补偿和消谐设备是有弊端的：①专门用于补偿的电容因为没有匹配的电抗阻挡，大批谐波电流（尤其频率高的优先）将可能涌入而导致损坏；②而专门的消谐电容除消谐外，电抗对基波基本没有阻挡，无功电流照样在经过，可能会使线路过补偿，使原先有用的容性电流变成有害的过补偿电流（过补偿也要罚款）。当然设备成本也会增加。江苏省工程建设标准《35KV及以下客户端变电所、居住区供配电设施建设标准》（2008年合订本）DGJ32/J14-2007，4.0.5无功补偿装置应具有抑制谐波的滤波装置和涌流装置的功能。明确了系统中有谐波时，无功补偿装置必须带滤波装置的规定。本设计符合此标准。电容容量可按照下面公式计算或者查表，表里是公式括弧里的数值。如果是已经有电容补偿柜，现在需要消谐，则补偿电容不需要另行计算，只要用原来的补偿电容就可以了。补偿前COSφ10.700.750.800.820.840.860.880.900.920.940.960.981.000.302.162.302.422.482.532.592.652.702.762.822.892.983.180.361.661.801.931.982.032.082.142.192.252.312.382.482.680.401.271.411.541.601.651.701.761.811.871.932.002.092.290.450.971.111.241.291.341.401.451.501.561.621.691.751.990.500.710.850.981.041.091.141.201.251.311.371.441.531.730.520.620.760.890.951.001.051.111.161.221.281.351.441.640.540.540.680.810.860.920.971.021.081.141.201.271.361.560.560.460.600.730.780.840.890.941.001.051.121.191.281.480.580.390.520.660.710.760.810.870.920.981.041.111.201.410.600.310.450.580.640.690.740.800.850.910.971.041.131.330.620.250.390.520.570.620.670.730.780.870.900.971.061.270.640.180.320.450.510.560.610.670.720.840.840.911.001.200.660.120.260.390.450.490.550.600.660.710.780.850.941.140.680.060.200.330.380.430.490.540.600.650.720.790.881.080.700.140.270.330.380.430.490.540.600.660.730.821.020.720.080.220.270.320.370.430.480.540.600.670.760.970.740.030.160.210.260.320.370.430.480.550.620.710.910.760.110.160.210.260.320.370.430.500.560.650.860.780.050.110.160.210.270.320.380.440.510.600.800.800.050.100.160.210.270.330.390.460.550.750.820.050.100.160.220.270.330.400.490.700.840.050.110.160.220.280.350.440.650.860.060.110.170.230.300.390.590.880.060.110.170.250.330.540.900.060.120.190.280.480.920.660.130.220.430.940.070.160.36为得到所需COSφ2每千瓦所需电容千乏数计算公式为：3.电抗器的确定众所周之，电网电压流入电抗器后，对基波不会有大的影响，但众所周知，电网电流流入电抗器后，对基波不会有什么影响。但对谐波来说却有较大的阻碍作用。设En为n次谐波源电动势；XB、XL分别为变压器、电抗器的等值感抗；XC为电容器组的等值容抗；n为谐波次数；In为n次谐波总电流。显然，In=En/nXB+(nXL-XC/n)(1)对于一般电路来说，起主要作用的是3、5、7、11等次谐波。如果达到谐振nXL-XC/n=03次谐波时3XL-XC/3=0XL=0.111XC5次谐波时5XL-XC/5=0XL=0.04XC7次谐波时7XL-XC/7=0XL=0.02XC从式(1)可以看出，当nXL-XC/n0即电容器组回路呈感性时，可使谐波电流减小，因此抑制谐波电流的电抗值应满足nXL-XC/n0的条件，又考虑到电抗值应有一定余量，工程上常取可靠系数a=1.5，串联电抗器的电抗值应按下式选取：XL=aXC(2)如限制5次谐波电流，则应取：COSΦ121-1-COSΦ221-1((Q=PQ:补偿电容器容量（kVAR)P:设备功率（kVA)COSφ1:补偿前功率因数COSφ2:补偿后功率因数XL=1.5(0.04XC)=0.06XC则：XL/XC=0.06式中0.06为限制5次谐波电流时，电抗器工频额定电抗XL与电容器工频额定容抗XC的比值，称为电抗率，用字母K表示。即：K=XL/XC(3)在5次谐波时，由式(3)可知，电抗率K=6%时，才能滤掉5次以上谐波。综上所述，对于额定频率为50Hz的电力系统中，滤波装置在不同场合的电抗率选择如下：XL=0.1%～1%·XC—不考虑谐波影响，仅需抑制合闸涌流;XL=4.5%～6%·XC—限制5次以上高次谐波的影响;XL=12%～13%·XC—限制3次以上高次谐波的影响。目前所用的配电变压器高压侧多接成“Δ”型，这样三次谐波因相序相同，即零序的感应的三次谐波电流在三角形绕组内环流，不易窜入电网。因此需滤除5次及以上的谐波，宜选用6%电抗率的电抗器。经验采