無功補(bǔ)償中的諧波問題及實(shí)例分析

1 引言

在公用電網(wǎng)和企業(yè)電網(wǎng)中，無功電流是不希望出現(xiàn)的。它會(huì)加重發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器的負(fù)荷，產(chǎn)生損耗，影響輸配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。隨著HVDC技術(shù)、FACTS技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展，典型的無功負(fù)載除了傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、放電燈、裸導(dǎo)線以外，還包括調(diào)節(jié)運(yùn)行的變流器產(chǎn)生的換向無功功率、控制無功功率和畸變無功功率等。在最佳補(bǔ)償情況下，電網(wǎng)只輸送有功功率，使電網(wǎng)的輸電能力得到提高。為了保證電網(wǎng)的輸電經(jīng)濟(jì)性，我國《全國供用電準(zhǔn)則》規(guī)定了各級(jí)各類電力用戶應(yīng)達(dá)到的功率因數(shù)值。因?yàn)橥诫姍C(jī)的使用場(chǎng)合有限，提高功率因數(shù)通常采用并聯(lián)電容器方式。

諧波含量逐漸遞增是一共同的明顯趨勢(shì)，這與用電負(fù)荷中大量使用非線性負(fù)載和設(shè)備有著直接的關(guān)系。非線性設(shè)備主要是晶閘管或二極管整流器等，這些電力電子裝置將導(dǎo)致電網(wǎng)中的的電力品質(zhì)下降。比如變速驅(qū)動(dòng)裝置(VSD)、不間斷電源(UPS)、變頻器等。

2 諧波危害

對(duì)變壓器而言，諧波電流危害主要體現(xiàn)在以下幾方面：①諧波電流導(dǎo)致銅損和雜散損增加，諧波電壓則會(huì)增加鐵損;②諧波導(dǎo)致變壓器的溫升提高;③導(dǎo)致變壓器噪聲增加。這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降。為非線性負(fù)載選擇變壓器額定容量時(shí)，應(yīng)考慮足夠的降載因子，以確保變壓器溫升在允許的范圍內(nèi)。

在線路中，與俱有相同均方根值的純正弦波電流相比，非正弦波將產(chǎn)生更多的熱量和溫升。這兩種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸和間隔。這兩種效應(yīng)相當(dāng)于增大導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增加。

諧波電流和電壓對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)的主要損害在于：諧波頻率下鐵損和銅損的增加，引起額外溫升。這些額外損失將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，并影響轉(zhuǎn)矩。當(dāng)設(shè)備負(fù)荷對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)較敏感時(shí)，其扭動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出將影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備，與正弦磁化相比，諧波會(huì)增加噪音量。如五次和七次這種諧波源，在發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)上，可產(chǎn)生六次諧波頻率的機(jī)械振動(dòng)。如果機(jī)械諧振頻率與電氣勵(lì)磁頻率重合，將發(fā)生共振并產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)械故障。

電力電子設(shè)備對(duì)供電電壓的諧波畸變很敏感。

電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)這兩點(diǎn)(電壓過零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對(duì)通訊設(shè)備的干擾。計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，如可編程邏輯控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，甚至低于3%。

3 電容器補(bǔ)償中的諧波問題

電容器與其它設(shè)備相比較有很大區(qū)別，其容性特點(diǎn)在系統(tǒng)共振情況下可顯著的改變系統(tǒng)阻抗。電容器組容抗隨頻率升高而降低，起到吸收高次諧波電流的作用。頻繁地切換非線性電磁組件會(huì)產(chǎn)生諧波電流，增加電容器的負(fù)擔(dān)。由諧波引起的發(fā)熱和電壓升高意味著電容器使用壽命的縮短。

無功補(bǔ)償中大量投入電容器組時(shí)，必需考慮的因素是系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流會(huì)明顯地高于在無諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。

3.1諧波與并聯(lián)諧振

圖1為典型的并聯(lián)諧振電路。諧波電流經(jīng)電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10～15倍。被放大之諧波電流流經(jīng)電容器可導(dǎo)致其內(nèi)部組件過熱。須注意的是，在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。

3.2諧波與串聯(lián)諧振

在上一級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波形畸變的情況下，由電容器組電容和供電變壓器電感形成的串聯(lián)諧振回路會(huì)吸引高次諧波電流流入電容器，串聯(lián)諧振可導(dǎo)致在變壓器的低壓側(cè)出現(xiàn)高的波形畸變。圖2為典型串聯(lián)諧振回路。

4 無功補(bǔ)償中的諧波處理

若有非線性負(fù)載連接到母線上，而又需要在母線上連接電容器組作無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，一定要避免在系統(tǒng)中產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。然而，只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上，就會(huì)出現(xiàn)一特定的并聯(lián)和串聯(lián)諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合，諧波電流和諧波電壓就會(huì)被明顯放大。這時(shí)，可采用濾波或調(diào)諧式電容器組。

典型的濾波電容器組設(shè)置五次、七次、十一次諧波等3個(gè)濾波分支路。濾波分支路的數(shù)量取決于要吸收的諧波量和要補(bǔ)償?shù)臒o功量。在某些情況下，甚至一個(gè)濾波分支路就可滿足電壓畸變限制和目標(biāo)功率因數(shù)。根據(jù)IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)，單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。

在沒有諧波量限制的地方，可以使用調(diào)諧式電容器組。但此時(shí)，諧波的主要成份都注入到上級(jí)電網(wǎng)。所需組數(shù)取決于負(fù)載功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)。設(shè)計(jì)調(diào)諧式電容器組時(shí)，通常須給出電壓畸變限制值。設(shè)計(jì)中，還要考慮電抗器鐵芯的線性度，使其涌流時(shí)以及在額定電壓畸變情況下不會(huì)出現(xiàn)飽和狀態(tài)。如果不知道負(fù)載狀況，通常采用額定電壓高于系統(tǒng)電壓的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波時(shí)，僅須增設(shè)電抗器而不須更換電容器組。

當(dāng)電容器組周圍溫度可能會(huì)超出其允許的最高溫度上限值時(shí)，在電容器配電盤內(nèi)加設(shè)冷卻風(fēng)扇。在采用調(diào)諧式或?yàn)V波電抗器的地方，則使用強(qiáng)迫冷卻方式。與電容器組相比，電抗器會(huì)產(chǎn)生更大的熱量。

5 無功諧波補(bǔ)償舉例

在某大型寫字樓內(nèi)，許多連接在不斷電電源設(shè)備(UPS)變壓器自動(dòng)功率因數(shù)控制電容器組因過熱而損壞。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1中是測(cè)得的供電變壓器基波和諧波電流以及電壓的總諧波畸變率(THD)。從表1可知，當(dāng)兩段50kvar投入后出現(xiàn)嚴(yán)重的并聯(lián)諧振，將30A的十一次諧波電流放大到183A，同時(shí)電壓的THD值也增加到19.6%。

表2為電容器組電流的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)2段50kvar電容器組投入，電容器上電流的有效值(RMS)是364A，相當(dāng)于2.5倍的額定電流流經(jīng)電容器，而電容器的容許電流是額定電流的1.3倍。

因?yàn)閺闹C波測(cè)量結(jié)果中可確認(rèn)在供電系統(tǒng)中存有諧振現(xiàn)象，因此重新設(shè)計(jì)了無功補(bǔ)償系統(tǒng)，并決定使用帶7%電抗器的調(diào)諧式電容器組。

表3為投入帶7%電抗的新電容器組后，供電系統(tǒng)電流和電壓THD的測(cè)量結(jié)果。裝上調(diào)諧電容器組后，無論投入幾段皆可避免諧振，而且也不會(huì)放大任何諧波電流。

6 結(jié)論

在配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償中，若使用不串接電抗器的電容器組，導(dǎo)致諧振問題，則在裝有電容器組母線上將產(chǎn)生高電壓畸變，并對(duì)用戶設(shè)備形成損害。因此進(jìn)行補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須隨之而來的諧波問題，并將畸變限制在允許的范圍內(nèi)。