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 諧波的產生及其主要構成成分諧波產生的原因是多種多樣的，但電網諧波的主要構成并不復雜。電網諧波是指基波的整數倍的高次波，即2、3、4、5次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由于信號正負半周的不對稱所形成的，而電網中電流正負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 的整數次諧波的影響。諧波是由非線性負荷產生的，主要是整流濾波，它在電網中產生PN次諧波，P是一個周期內整流形成的直流波頭數，N是自然數，三相整流最低諧波次數是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中去。因此變頻器屬于三相整流負載，產生5次以上的諧波。常見的變頻器控制大電機系統(tǒng)。產生無功功率的是電機；產生諧波的是變頻器。變頻器的整流部分。是典型的6脈動整流負荷，所產生的諧波為6k±1次奇次諧波。理論上如果在直流側安裝容量很大的平波電抗器。則其交流側的電流波形應為近似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的電壓電流波形畸變較為嚴重，電流波形應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電能質量公用電網諧波中規(guī)定表2：注入公共聯接點的諧波電流允許值標稱電壓kV基準短路容量MVA諧波次數及諧波電流允許值 A23456789101112130.381078623962264419211

4、6281324標稱電壓kV基準短路容量MVA諧波次數及諧波電流允許值 A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1146.512對比標準：5次、7次、11次、17次、23次諧波超標，7次、23次比較接近標準，5次、11次、17次遠離標準，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標準35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設施建設標準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，功率因數不低于0.95。我們

5、就設定把功率因數提高到0.95。以此計算無功補償并聯電容的容量。在設備開動時，設備中產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路數的電容，產生容性無功以其與它抵消，無功補償裝置就是這樣周而復始的工作著?，F在加入了變頻器等電子設備，產生了諧波，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。一般5次諧波占比例最多。現在在電容補償器的每路電容前串聯一只電抗器，令XC5- XL5 = 0，做成在5次頻率下串聯諧振回路，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。電氣設備中常見非線性負載諧波含量如表1所示：表1 諧波含量表負載類型典型諧波含量（%）負載類型典型諧波含量（%）變頻器3350客戶電梯1530中頻感應加熱電源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634開關電源2030UPS1025表中可見，變頻器產生的諧波含量為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準GB12747-91 自愈式低壓并聯電容器其中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果。”從標準可以看出電容應該能夠承擔最大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、就是隨設備開動而產生的，而設備一當運行，就會產生無功電流及相應的補償電流，這個電流里當然就包含了一定比例（一般在50%以內）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過。這樣在電網端就不會呈現主諧波干擾了。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電能質量公用電網諧波中：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，設備簡潔。事實上，如果分別做補償和消諧設備是有弊端的： 專門用于補償的電容因為沒有匹配的電抗阻擋，大批諧波電流（尤其頻率高的優(yōu)先）將可能涌入而導致損壞； 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）。當然設備成本也會增加。江蘇省工程建設標準35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設施建設標準（2008年合訂本）DGJ32/J 14-2007，4.0.5無功補償裝置應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、本設計符合此標準。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值。如果是已經有電容補償柜，現在需要消諧，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；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滿足nXL-XC/n>0的條件，又考慮到電抗值應有一定余量，工程上常取可靠系數a=1.5，串聯電抗器的電抗值應按下式選?。?XL=aXC (2)如限制5次諧波電流，則應?。?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多接成“”型，這樣三次諧波因相序相同，即零序的感應的三次諧波電流在三角形繞組內環(huán)流，不易竄入電網。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。經驗采用7%電抗率的電抗效果會更好些。在電容器并聯補償回路中串聯電抗器之后，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，電容器就會嚴重發(fā)熱，縮短使用壽命，嚴重者甚至燒毀。因此，計算串聯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。根據江蘇省工程建設標準35KV及以下客戶端變電所、居住區(qū)供配電設施建設標準（2008年合訂本）DGJ

14、32/J 14-20074.0.6低壓無功補償裝置應采用復合開關電器、半導體開關電器等，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)自動投切根據標準精神，應設計成多段容量的循環(huán)自動投切，并采用復合電子開關進行過零自動切換。如果是三相電機負載，可以不設計分相補償。計算實例：一新建單位，負載性質是變頻器控制大電機系統(tǒng)，電機計算總功率1070KW，設備開動率75%。設計無源補償、消諧裝置。設備實際開動功率是1070×0.75=877.5KW設備原來功率因數假設為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