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隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電負(fù)荷的增加，必然要求電網(wǎng)系統(tǒng)利用率的提高。但由于接入電網(wǎng)的用電設(shè)備絕大多數(shù)是電感性負(fù)荷，自然功率因素低，影響發(fā)電機(jī)的輸出功率;降低有功功率的輸出;影響變電、輸電的供電能力;降低有功功率的容量;增加電力系統(tǒng)的電能損耗;增加輸電線(xiàn)路的電壓降等。因此，連接到電網(wǎng)中的大多數(shù)電器不僅需要有功功率，還需要一定的無(wú)功功率。為減少電力輸送中的損耗，提高電力輸送的容量和質(zhì)量，必須進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償。這些無(wú)功功率如果不能及時(shí)地得到補(bǔ)償?shù)脑?huà)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響
1，補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用情況
無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用目的：
（1）可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)；
（2）改善電壓調(diào)整；
?。?）減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量，減少投資；
（4）提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；
（5）降低過(guò)電壓；
?。?）減少電壓波動(dòng)；
（7）降低線(xiàn)損；
?。?）減少電壓和電流的不平衡。
諧波和無(wú)功功率的產(chǎn)生
在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占有很大的比例。異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。阻感負(fù)載必須吸收無(wú)功功率才能正常工作這是由其本身的性質(zhì)所決定的。而相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器等電力電子裝置其交流側(cè)的電流也常常滯后于電壓，它們不但要消耗大量的無(wú)功功率，還要產(chǎn)生大量的諧波電流。
幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置分析對(duì)比
電力系統(tǒng)中，常見(jiàn)的無(wú)功控制方法有同步調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)同步化、靜電電容器、大功率電力電子器件靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等。
?。?）同步調(diào)相機(jī)：同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。在過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)， 它向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率， 提高系統(tǒng)電壓; 在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)， 它從系統(tǒng)吸取感性無(wú)功功率， 降低系統(tǒng)電壓。它有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 雖然目前仍有使用， 但運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜， 而且技術(shù)上已顯得落后。
?。?）同步電動(dòng)機(jī)：利用過(guò)激磁的同步電動(dòng)機(jī)，改善用電的功率因數(shù)，設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高，只適于在具有大功率拖動(dòng)裝置是采用。
（3）靜電電容器：靜電電容器可以改善線(xiàn)路參數(shù)， 減少線(xiàn)路感性無(wú)功功率， 補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功。但由于它供給的無(wú)功功率與節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，它供給的無(wú)功功率反而會(huì)減少， 所以電容器的無(wú)功功率調(diào)節(jié)性能比較差。但由于維護(hù)比較方便， 裝設(shè)容量可大可小， 既可集中使用、 又可分散裝設(shè)， 所以目前仍是我國(guó)主要的補(bǔ)償方式。
?。?）靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）被用于電壓控制或用于獲得其它效益，如提高系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性等;這類(lèi)裝置的典型代表有：晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器是目前技術(shù)最為先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。它不再采用大容量的電容器，電感器來(lái)產(chǎn)生所需無(wú)功功率，而是通過(guò)電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)質(zhì)的飛躍，特別適用于中高壓電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無(wú)功功率改變到吸收無(wú)功功率（或反向進(jìn)行），并且響應(yīng)快速。
諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系
現(xiàn)代電力配電網(wǎng)中諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償不再是兩個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題，二者相互之間有非常緊密的聯(lián)系，主要表現(xiàn)在：
（1）無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制都與電力電子技術(shù)有密切的關(guān)系，而各種電力電子裝置目前已成為供用電系統(tǒng)最為主要的諧波源，同時(shí)其功率因數(shù)也很低，消耗大量的無(wú)功功率。
（2）補(bǔ)償諧波的裝置通常也都是補(bǔ)償基波無(wú)功功率的裝置，如LC濾波器、有源電力濾波器中的許多類(lèi)型都可以補(bǔ)償無(wú)功功率，高功率因數(shù)整流器既限制了諧波，也提高了功率因數(shù)。
?。?）很多無(wú)功補(bǔ)償裝置，如晶閘管控制電抗器（TCR）在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的特征諧波注入電網(wǎng)，因此必須采取措施將這些諧波濾除或減弱。
在波形畸變情況下， 視在功率S 與有功功率P 和無(wú)功功率Q 之間的關(guān)系變?yōu)椋?/p>
S2＞P2+Q2 （1-1）
視在功率減去有功功率后余下的包括兩部份， 現(xiàn)用一數(shù)學(xué)量D 來(lái)表示所余下的其中一部份伏安值（習(xí)慣上D 就稱(chēng)之為畸變功率）， 這樣， 視在功率就成為三維空間向量和， 即：
S2=P2+Q2+D2??? （1-2）
畸變功率D 具有無(wú)功功率的性質(zhì)。因此，諧波電流可以看作是無(wú)功功率的增加（諧波無(wú)功功率）。它與電磁無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)一樣， 會(huì)增加線(xiàn)路和變壓器的銅損耗， 并使供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)降低。
諧波的抑制
要解決配電系統(tǒng)的諧波和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題必須綜合考慮濾波和補(bǔ)償這兩方面的因素，能滿(mǎn)足要求的實(shí)現(xiàn)方法有很多，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)比較，這里主要研究?jī)煞N常見(jiàn)的濾波裝置。一種是無(wú)源濾波器；一種是有源濾波器。
1、無(wú)源濾波器
無(wú)源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯(lián)濾波器濾除諧波的典型電路結(jié)構(gòu)，通常是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)LC電路與諧波源并聯(lián)，應(yīng)用其諧振原理，使某一次諧波在這個(gè)支路發(fā)生諧振，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，使該次諧波電流不再流入電網(wǎng)，達(dá)到抑制諧波的目的。如果要濾除若干次諧波，就用若干個(gè)單調(diào)諧LC濾波器并聯(lián)接到電網(wǎng)。無(wú)源電力濾波器還可以設(shè)計(jì)成雙諧振的，同時(shí)濾除兩種頻率的諧波，還可以設(shè)計(jì)成高通濾波器，以濾除某一次上的諧波。
無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無(wú)功，改善功率因素；維護(hù)方便；造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低；對(duì)某一次高次諧波的吸收效果明顯；設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)成熟。因此成為傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段。
無(wú)源濾波器雖然存在上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有不足之處。無(wú)源濾波器的濾波原理是在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，因此由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著一些難以克服的缺點(diǎn)：
（1）只能抑制按設(shè)計(jì)要求規(guī)定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對(duì)調(diào)諧點(diǎn)的濾波效果明顯，而對(duì)偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無(wú)明顯效果。而實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮到設(shè)計(jì)投資，不可能依靠增加濾波器的辦法解決。
（2）濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，濾波效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果變差。特別是對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個(gè)復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個(gè)實(shí)際的濾波器要達(dá)到理想的濾波效果是很難的。
?。?）當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，可能與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，從而會(huì)產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，使裝置無(wú)法運(yùn)行，甚至使整個(gè)濾波系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。
?。?）當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流增大時(shí)，無(wú)源濾波器可能過(guò)載，甚至損壞設(shè)備。 （5）裝置體積大，損耗大。
?。?）濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。
基于上述無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)研究人員研究出若干解決辦法，通過(guò)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了無(wú)源濾波器的使用效果。但無(wú)源濾波器由于原理上帶來(lái)的缺點(diǎn)是無(wú)法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來(lái)抑制諧波。
2、有源電力濾波器
有源電力濾波器是一種能夠彌補(bǔ)無(wú)源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服LC無(wú)源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)無(wú)源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，概括起來(lái)主要有：
?。?）實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。
?。?）可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要儲(chǔ)能元件容量也不大，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
?。?）即使補(bǔ)償電流過(guò)大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償用。 （4）受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。 （5）能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
?。?）既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集中補(bǔ)償。 基于有源濾波器的上述優(yōu)點(diǎn)，采用有源電力濾波器是對(duì)諧波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，因而受到廣泛的重視，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。
但目前國(guó)內(nèi)的有源濾波器還處于研發(fā)階段技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用的有源濾波器大都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，如ABB公司，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)的工廠(chǎng)和企業(yè)在用。因此在這里選用無(wú)源濾波裝置。
從工作原理來(lái)看，濾波裝置可分為兩類(lèi)。一類(lèi)為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發(fā)生的諧波與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，從而達(dá)到消除諧波的目的。這類(lèi)濾波器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進(jìn)一步研究。另外一類(lèi)是無(wú)源濾波器，它是采用電容、電感諧振的原理來(lái)達(dá)到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實(shí)現(xiàn)濾波兼并補(bǔ)雙重作用。
致力于380V-35kV電網(wǎng)的諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)（TSC）分析
動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)（TSC）的原理及應(yīng)用 ：
動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用晶閘管作為投切開(kāi)關(guān)，跟隨負(fù)荷變化情況動(dòng)態(tài)投切無(wú)功補(bǔ)償電容器組、實(shí)現(xiàn)改善電網(wǎng)功率因數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度為（10mS～20mS），即可在10mS～20mS內(nèi)完成所有電容組的投入切除過(guò)程。如圖1，該裝置能有效調(diào)整電網(wǎng)的無(wú)功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上；并具有顯著的節(jié)能效果（25%以上）；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載無(wú)功與諧波情況，在TSC系統(tǒng)中采用特定的電抗器（占電容器容抗比例為5.67%~7.00%），可有效抑制諧波放大、降低TSC投切瞬間對(duì)電網(wǎng)的沖擊，達(dá)到有效改善供電系統(tǒng)功率因數(shù)的目的，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB/T14549-93的相關(guān)要求。TSC一般采用過(guò)零投切，采用過(guò)零投切時(shí)電路的沖擊電流為零。為了投切效果更好，必須對(duì)電容預(yù)先充電。
現(xiàn)場(chǎng)工況初步分析：
我公司采礦車(chē)間配電示意圖如圖2所示，其中2*630kW提升機(jī)是最主要的諧波源，其配電情況主要器件參數(shù)如下：
供電變壓器：容量： ；短路阻抗： 6.9%；原邊電壓： ；副邊電壓： ；一次側(cè)電流57.7A，二次側(cè)電流874.8A。
提升機(jī)：額定功率： ；660V下直流提升機(jī)有2臺(tái)。
（1）當(dāng)前主要問(wèn)題：
?、?耗電較高，存在無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題；
②存在630kW直流提升機(jī)，故諧波主要在此；
?、?630kW直流提升機(jī)無(wú)功變化劇烈，需動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功，同時(shí)濾除諧波；率因數(shù)為0.9。
?、墚?dāng)前10kV母線(xiàn)功率因數(shù)較低。
?。?）對(duì)采礦車(chē)間630KW提升機(jī)變壓器10KV側(cè)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如下：
?、傧到y(tǒng)無(wú)功功率在（524-1216）kVar間變化；
?、诠β室驍?shù)最高時(shí)只有0.63，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)要求。必須補(bǔ)償無(wú)功。
③10kV母線(xiàn)電流畸變率很高，最高達(dá)110%，這是10kV系統(tǒng)不允許的，表明10kV母線(xiàn)諧波十分嚴(yán)重。由于提升機(jī)屬于直流負(fù)載，因此10kV母線(xiàn)諧波主要來(lái)自2臺(tái)630kW提升機(jī)整流柜。為分析流入1000kVA變壓器10kV側(cè)的諧波電流是否符合國(guó)標(biāo)，根據(jù)用戶(hù)協(xié)議分析，當(dāng)電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，按下式修正的諧波電流允許值，基本轉(zhuǎn)換公式如下：
其中： －修正后的諧波電流允許值（h＝3，5，7，11，13）；
－基準(zhǔn)電網(wǎng)短路容量，實(shí)際取值為100 MVA；
?。瓕?shí)際電網(wǎng)短路容量， 。
注入1000kVA變壓器10kV側(cè)的5、11次諧波電流均超過(guò)了國(guó)家允許值，其中5次諧波超標(biāo)4倍多，因此設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)必須考慮諧波的治理問(wèn)題。
分析結(jié)果：
考慮設(shè)計(jì)成本，采用在每臺(tái)提升機(jī)660V母線(xiàn)配置靜態(tài)濾波兼無(wú)功補(bǔ)償PPF與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償TSC相結(jié)合的治理方案，裝置整體無(wú)功補(bǔ)償容量1456kVar/660V，主要特點(diǎn)如下：
① 無(wú)源濾波容量為300kVar（690V），可有效濾除提升機(jī)產(chǎn)生的5次諧波；
② 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量為540kVar（720V），可滿(mǎn)足單臺(tái)提升機(jī)660V側(cè)電網(wǎng)的平均功率因數(shù)由0.2到0.90的無(wú)功補(bǔ)償需求。
?、?無(wú)源濾波裝置裝2面柜；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置裝2面柜；
④ 可使660V電網(wǎng)瞬間功率因數(shù)最高達(dá)到0.95；
⑤ 在400V電網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)到0.9的前提下，使10kV母線(xiàn)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。
?、?660V與10kV母線(xiàn)諧波滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
⑦ 有效抑制諧波，使原有無(wú)功補(bǔ)償電容器組可以投切。
無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是提高電網(wǎng)供電能力、減少電壓損失和降低網(wǎng)損的一種有效措施。電力電容器具有無(wú)功補(bǔ)償原理簡(jiǎn)單、安裝方便、投資小，有功損耗小，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，在當(dāng)前，隨著電力負(fù)荷的增加，要想提高電網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，通過(guò)采用補(bǔ)償電容器進(jìn)行合理的補(bǔ)償，是能夠提高供電質(zhì)量并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益的。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置（如SVC）雖然目前應(yīng)用比較廣泛，但由于損耗較大、自身諧波較多，技術(shù)上已顯落后，目前對(duì)它的研究主要集中在控制策略上。而基于電力電子逆變技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，由于其具有響應(yīng)速度快、損耗及產(chǎn)生諧波小、能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)無(wú)功等諸多優(yōu)點(diǎn)，正成為無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論