电网谐波治理与无功补偿方案

电网谐波治理与无功补偿方案[1][2][3][4][5]共5页一、前言随着全球工业化进程的不断加快。对地球环境的污染和破坏也空前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的高潮。当今时代是高度强调环境保护和生态保护的时代，这是全球全人类和全社会的共识。电力系统也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染。电力电子装置就是公用电网中最主要的谐波源，随着电力电子装置的应用日益广泛。电网中的谐波污染也日趋严重。电网谐波对电气设备的正常运行危害很大，它可导致电容器过流损坏，电动机力矩不稳，继电保护装置误动作，计算机等敏感电器发生功能错误。当谐波电流超出规定允许值，或者谐波电流虽然不大，但电气化设备受到干扰时，通常应采取技术措施加以防治，例如提高谐波源设备的电压等级，对谐波源设备集中供电．改变其工作时间等，但是上述方法并不能保证完全奏效，同时还要付出相应的改造费用。解决谐波问题的最佳途径是设置谐波回路，将谐波完全或部分吸收，以保障电气设备完全运行，同时可以提高电网功率因数≥0.92，补偿基波无功功率、吸收谐波电流、防止电网谐振、改善电能质量，从而收到良好的经济效益。由我公司技术成功开发的NLK型高低压电网谐波补偿成套装置，适用于一切工业及民用用户，具有设计合理，谐波效果好、保护齐全、工作稳定可靠等特点。二、技术参数安装地点:室内，靠墙或离墙(室外)连接方式:电缆或母线每柜回路数:3(常用)、4、5、6额定电压:400V、525V、660V、6KV、10KV、35KV额定频率:50Hz/60Hz额定电流:见选型表额定功率:见选型表放电元件:放电电阻或线圈控制电压:220V-380V整体功耗:3W/kvar防护等级:IP20B冷却:自然空冷(风冷、水冷)工作条件:海拔高度≤2000m环境温度+40℃~-10℃相对温度90%(+20℃)三、设计特点本装置设计贯彻国家技术经济政策，力求做到安全可靠、技术先进、经济合理和运行检修方便。由于该产品与别的器件连接对一种或多种谐波电流提供一低阻抗通道，所以该产品容量(电容量)可能是带有小数，而承受基波电压和谐波电流也不相同，故额定电压与额定容量二值仅为用户选择参考。用户可根据实际要求另行提出额定基波电压。谐波电流与额定容量(电容量)。四、用途该装置接于电力系统中，用以治理由于使用非线性设备带来的高次谐波危害，改善电能质量，也可以改善功率因数。补偿滤波装置的主要部分◇电容器组◇滤波电抗器◇晶闸管组◇电路开关、触发电路◇断路器、接触器、隔离开关◇综合保护装置、过流、过压装置◇实时无功与谐波分析控制器主要特点◇补偿基波无功功率◇吸收谐波电流◇防止电网谐振◇改善电能质量◇组装式结构、扩展方便电网谐波治理与无功补偿方案[1][2][3][4][5]共5页五、优质电能全面解决方案动态电能质量控制装置)利用新型的电力电子、计算机和控制技术研制开发各种改善电能质量的电能质量控制装置是二十一世纪“用户电力技术”的发展方向，也是柔性交流配电系统重要的研究方向之一。实时检测电网中非线性负载电流中的谐波分量和无功电流，然后产生与之大小相等，相位相反的电流进行实时补偿，从而实现抑制谐波、补偿无功的功能，是改善系统电流质量问题的有效装置。通过对直流测电源的逆变产生相应的三相交流电压，通过变压器与原电网电压相串联，以补偿故障电压和正常电压之差，从而使负载端电压恒定，保证对电压敏感的电器设备的正常运行，是抑制或消除电压跌落，保证敏感负荷正常运行的有效补偿设备。动态电能质量控制装置结合了串、并补偿的特点，具有对电压、电流质量问题统一补偿的功能，其并联部分SC-APF作用是消除谐波、补偿无功、抑制闪变和不对称，同时还调节直流侧电容两端的电压:串联部分SC-DVR不但可以进行谐波无功补偿，还可以抑制电压跌落等动态电能质量问题全面解决方案，提高供电的可靠性。表一补偿功率选择400V变压器功率(kvar)变压器电流(A)交流电流(A)电流(A)变流器所需无功功率(kvar)400577288=50%173=30%0173=30%288=50%460=80%121115108500722361217021736157715114413563090945527302734557271901821708001154577346034657792324123121610001443722433043372211543012892701250180490254105419021443376360337160023091155693069311551847428462431技术术语谐波：频率为基波率f,整数倍的正弦电量fv。谐波次数V：谐波频率与基波频率的比值，V=fv/ff。移相角φ：电压和电流过零点时的相关角度。功率因数cosφ：有功功率和视在功率的比值。畸变系数：各次谐波电压的向量和与基波电压的比值。畸变电压：谐波电流在电网阻抗上产生的电压降。滤波器品质因数：在谐振频率下滤波回路有功电阻与无功电阻的比值(Q=Z/R)。滤波度：滤波回路吸收的谐波电流与谐波源产生谐波电流的比值。滤波回路：电容器和电抗器形成的串联回路，其谐振频率与某次谐波的频率相一致。脉动数：变流器在一个电网周期内换向的次数。电网谐波治理与无功补偿方案[1][2][3][4][5]共5页变频器专BUF-X型用滤波器六、滤波的回路选择首先求出补偿所需的无功功率，然后根据谐滤源特性或计算结果确定滤波回路的数量，表一给出了不同谐波电流含量时所需的电容器基波容量。设定值为交流负载自然功率因数。cosφ=0.76变流器负载自然功率因数cosφ=0.8补偿后功率因数提高到cosφ=0.95。七、结构及外形尺寸柜体采用国际标准型材组装，螺栓连接，美观坚固，分合方便。也可根据用户要求，配用NLK或GCK等拒体。每柜最多可安装二个滤波回路，电缆或母线连接，如果多个同频率滤波回路并联，采用并联接触器连接。以便平衡两个回路的电流分配。(见图1，250Hz回路)各滤波回路的投切采用按钮操作，信号灯显示工作状态。投入时操作顺序为从低次向高次，切除顺序为从高次向低次，各回路设有闭锁电路，防止错误操作。滤波柜为自然空冷，如果安装地点环境温度较高，可配置风扇。放电线圈可在电容器切除后30s内，将端电压降低到50V以下。注:对于特大容量滤波器，也可以设计成组装框架结构。八、技术要求该装置根据电力系统和用电设备情况系统主接线及设备参数、电网参数(电压、频率变化、电压不平衡度)，系统最大与最小短路容量、负荷特性、谐波源特性、系统“背景”、谐波水平、无功补偿要求等及治理后达到的电能质量，通过分析计算来确定各高次谐波通道及电气参数，然后进行特殊设计制造。也就是说每一套成套装置都是针对某一用户的特殊产品。九、无功功率与谐波当电网电压为正弦波形，并且电压和电流同相时，电阻性电气设备从电网吸收的功率P等于电压U和电流I的乘积，即P=UxI电阻性电气设备包括白炽灯、电热器等。电动机和变压器运行时需要建立磁场，这部分能量不能转化为有功功率，因此称之为无功功率Q。由于线圈电感的作用使电压和电流过零点发生变化，电流滞后电压一个角度φ。在选择变配电设备时应按视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和。无功功率的转输加重电网的负担，使电网损耗增加，因此需要对其进行就近或就地补偿，而并联电容器可以补偿或平衡电气设备的感性无功功率，当容性无功功率Qc等于感性无功功率Q时，电网只转输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户功率因数应达到0.9以上，低压用户功率因数应达到0.85以上。电网的功率平衡关系见(图2)。电网谐波治理与无功补偿方案[1][2][3][4][5]共5页功率因数为有功功率和视在功率的比值cosφ=p/s无功功率为：QL=S2-P2如果选择电容器功率QC=QL则功率因数为1。实际工程中应根据负荷情况和当地供电部门的要求，确定补偿后应达到的功率因数值，然后计算电容器安装容量:QC=P(tanφ-tanφ)谐波电流如果用户安装有晶闸管变流器设备。则会产生以下问题:1)变流器需要感性无功功率2)向电网注入谐波电流由于变流器的控制角α的作用,使用电流和电压发生相位移，形成感性无功功率O，最大值为变流器的额定功率(图3)。变流器除了需要无功功率外，还向电网注入谐波电流，其频率由变流电路的脉动数(即一个电网周期内的换向次数)决定，例如最常用的三相桥式电路，其脉动数P=6。通过对变流器网侧电流进行傅立叶分解，除了含有基波电流外，还含有一系列的谐波电流。(图4)特征谐波电流的次数为:V=P·K±1(V=fv/fI)fv:谐波频率fI:基波频率(50Hz)P:变流器脉动数K:正整数(1、2、3…)谐波电流在电网阻抗上产生同频率的电压降，并叠加在基波正弦电压上，使电网电压发生畸变。(图5)在接有谐波源负载的电网上直接连接电容器，会出现其它方面的问题。因为电容器容抗和电网阻抗形成一个并联谐振回路，在谐振频率下其阻抗达到很高的数值，如果谐波电流频率与并联谐振频率相同或接近，则导致产生很高的电压降，电网和电容器支路流过很大的谐波电流，其数值甚至达到电网原有谐波电流的数十倍，称为谐波放大。谐波放大可导致电器设备(尤其是电容器)的损坏(图6)电网谐波治理与无功补偿方案[1][2][3][4][5]共5页为了避免谐振现象，需要在电容器支路中串联电抗器，以形成串联谐波频率回路，谐振频率在电网最低次谐波频率以下，通常电抗器阻抗约电容器容抗的6~7%。这种电容器串联电抗的回路称为失谐滤波回路，主要用于防止谐振，保护电容器，只吸收少部分的谐波电流。如果变流器功率大于总功率的30%，或者电网谐波含量超过有关标准规定的极限值，则需要设置调谐式滤波器。调谐式滤波器的设计原理是在特征次谐波频率下，使电抗器的阻抗等于电容器的容抗。即:VXL1=XC1/V此时回路阻抗接近于0，以便吸收有关谐波。一般针对5、7、11和13次谐波设置滤波回路，滤波器的频率阻抗曲线见图7。滤波效果取决于回路的调谐精度和品质因数，以及电网的短路阻抗。滤波器除了吸收谐波外，还提供基波容性无功功率(图8)。调谐式滤波器的主要特点：补偿基波无功功率吸收谐波电流防止电网谐振电力网电压正弦波形畸变率限值(相电压%)电网标准电压KV电压总谐波畸变串(%)各次谐波电压含油串(%)奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.6104.03.21.6353.02.41.2663.02.41.21102.01.60.8注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压KV0.386103566110基准短路容量MVA10100100250500750谐波次数及谐波电流允许值A2784326151612362342012139.643921137.78.16.0562342012139.6626148.55.15.44.074424158.89.36.8819116.43.84.13.0921116.84.14.33.210168.55.13.13.32.41128169.35.65.94.312137.14.32.62.72.01324137.94.75.03.714116.13.72.22.31.715126.84.12.52.61.9169.75.33.21.92.01.51718106.03.63.82.8188.64.72.81.71.81.319169.05.43.23.42.5207.84.32.61.51.61.2218.94.92.91.81.91.4227.13.92.31.41.51.123147.44.52.72.82.1246.53.62.11.31.41.025126.84.12.52.61.9