无功补偿中的谐波问题分析 摘 要 电容器组作为主要无功补偿设备，在配电系统中得到广泛应用。随着大量非线性负荷的增多，配 网中谐波成分增大，对补偿电容器组的影响以及由此产生的谐波放大和电压畸变问题更加突出。本文深入 分析了这一问题，并就无功补偿设计中谐波处理方法及须注意的问题作了论述。关键词 无功补偿 谐波 电压畸变 1 引言在公用电网和企业电网中，无功电流是不希望出现的。它会加重发电机、输电线路和变压器的负荷， 产生损耗，影响输配电系统的经济性。随着 HVDC 技术、FACTS 技术应用的不断拓展，典型的无功负载 除了传统的异步电动机、变压器、放电灯、裸导线以外，还包括调节运行的变流器产生的换向无功功率、 控制无功功率和畸变无功功率等。在最佳补偿情况下，电网只输送有功功率，使电网的输电能力得到提高。 为了保证电网的输电经济性，我国全国供用电准则规定了各级各类电力用户应达到的功率因数值。因 为同步电机的使用场合有限，提高功率因数通常采用并联电容器方式。谐波含量逐渐递增是一共同的明显趋势，这与用电负荷中大量使用非线性负载和设备有着直接的关系。 这些非线性设备通常为晶闸管或二级管整流器，它们将导致电网中的的电力品质下降。比如变速驱动装置 （VSD），不间断电源（UPS）等。 2 谐波危害对变压器而言，谐波电流危害主要体现在以下几方面：谐波电流导致铜损和杂散损增加，谐波电压 则会增加铁损；谐波导致变压器的温升提高；导致变压器噪声增加。这些由谐波所引起的额外损失将 与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。为非线性负载选择变压器额定容 量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。在线路中，与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相比，非正弦波将产生更多的热量和温升。这两种现 象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应相当于增大导体交流电阻，进而导致损耗增加。谐波电流和电压对感应电动机及同步电动机的主要损害在于：谐波频率下铁损和铜损的增加，引起额 外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时， 其扭动转矩的输出将影响产品的质量。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。如五次和七次这种谐波源，在发电机或电 动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，将发生共振 并产生很大的机械应力，导致机械故障。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个 相间电压高于另一个相间电压的位置点。控制系统对 这两点（电压过零点与电压位置点）的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容 性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，如可编过程控制器（PLC），通常要 求总谐波电压畸变率（THD）小于 5，甚至低于 3。 3 电容器补偿中的谐波问题电容器与其它设备相比较有很大区别，其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。电容器 组容抗随频率升高而降低，起到吸收高次谐波电流的作用。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流， 增加电容器的负担。由谐波引起的发热和电压升高意味着电容器使用寿命的缩短。无功补偿中大量投入电容器组时，必需考虑的因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电 压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。 31 谐波与并联谐振图 1 为典型的并联谐振电路。谐波电流经电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到 1015 倍。被放大之谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。须注意的是，在相同电流幅值条件下 高频谐波电流所造成之损失要高于基波频率电流。 32 谐波与串联谐振在上一级电网系统电压发生波形畸变的情况下，由电容器组电容和供电变压器电感形成的串联谐振回 路会吸引高次谐波电流流入电容器，串联谐振可导致在变压器的低压侧出现高的波形畸变。图 2 为典型串 联谐振回路。 4 无功补偿中的谐波处理若有非线性负载连接到母线上，而又需要在母线上连接电容器组作无功功率补偿系统时，一定要避免 在系统中产生并联或串联谐振。然而，只要把不带电抗器的电容器组连到此母线上，就会出现一特定的并联和串联谐振频率。如果这一谐振频率与某些谐波频率重合，谐波电流和谐波电压就会被明显放大。这时， 可采用滤波或调谐式电容器组。典型的滤波电容器组设置五次、七次、十一次谐波等 3 个滤波分支路。滤波分支路的数量取决于要吸 收的谐波量和要补偿的无功量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变限制和目标功率因 数。根据 IEEE5191992 标准，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的 3。在没有谐波量限制的地方，可以使用调谐式电容器组。但此时，谐波的主要成份都注入到上级电网。 所需组数取决于负载功率因数和目标功率因数。设计调谐式电容器组时，通常须给出电压畸变限制值。设 计中，还要考虑电抗器铁芯的线性度，使其涌流时以及在额定电压畸变情况下不会出现饱和状态。如果不 知道负载状况，通常采用额定电压高于系统电压的电容器组。使用较高额定电压的电容器则在将来负载会 产生谐波时，仅须增设电抗器而不须更换电容器组。当电容器组周围温度可能会超出其允许的最高温度上限值时，在电容器配电盘内加设冷却风扇。在采 用调谐式或滤波电抗器的地方，则使用强迫冷却方式。与电容器组相比，电抗器会产生更大的热量。 5 无功谐波补偿举例在某大型写字楼内，许多连接在不断电电源设备（UPS ）变压器自动功率因数控制电容器组因过热而 损坏。结构如图 3 所示。表 1 中是测得的供电变压器基波和谐波电流以及电压的总谐波畸变率（THD ）。从表 1 可知，当两 段 50 kVar 投入后出现严重的并联谐振，将 30 A 的十一次谐波电流放大到 183 A ，同时电压的 THD 值 也增加到 196 。 表 2 为电容器组电流的测量结果。当 2 段 50kVar 电容器组投入，电容器上电流的有效值（RMS） 是 364 A ，相当于 25 倍的额定电流流经电容器，而电容器的容许电流是额定电流的 1 3 倍。因为从谐波测量结果中可确认在供电系统中存有谐振现象，因此重新设计了无功补偿系统，并决定使 用带 7电抗器的调谐式电容器组。表 3 为投入带 7电抗的新电容器组后，供电系统电流和电压 THD 的测量结果。装上调谐电容器组 后，无论投入几段皆可避免谐振，而且也不会放大任何谐波电流。6 结论在配电系统无功补偿中，若使用不串接电抗器的电容器组，导致谐振问题，则在装有电容器组母线上 将产生高电压畸变，并对用户设备形成损害。因此进行补偿系统设计时，必须随之而来的谐波问题，并将 畸变限制在允许的范围内。 参考文献 1 华民科技研究所电网无功补偿与滤波技术技术资料 2 许克明，等电力系统高次谐波重庆：重庆大学出版社，1991 3 张洪武，等几种无功功率测量方法的分析电测与仪表，1997，34（382）：1 3 4 曹祖光应系统地重视分散和终端无功补偿低压电器，1999（5）：2730