PQ技术手册(无功补偿资料)

第一章概论一、关于电能质量电能可以方便的通过各种不同的用电器方便、高效率、可靠的转换成机械能、热能、光能、化学能等形式以供消费，是现代人类生产和生活中使用的最普遍也最不可或缺的能源形式。

电力工业成为国民经济和社会发展的基础产业，而计算机、信息等高新技术的迅速发展和人民生活水平的不断提高，使得整个社会对电力的依赖程度日益增高，一个国家的电气化程度已成为衡量其现代化水平的一个重要标志。

近年来，在国民经济持续高速发展的拉动下，我国的电力建设已进入了历史上发展最快的时期，据预测到2020年，我国发电装机总容量将达9～10亿kW，今后每年投运的容量至少2千万kW。

电能供求的矛盾已逐步得到解决。

在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。

目前我国电力还远不能满足21世纪对电力供应质量的要求，如何保证和提高电能质量已经成为迫切需要解决的重要课题。

1、定义通常电能质量（Power Quality-PQ）就是指电能的优劣程度。

它主要涉及三个方面：电压、频率和波形。

而从普遍意义上讲，电能质量就是指优质供电。

国际电气与电子工程师协会（IEEE）给出的电能质量的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作”。

现代电力系统提出电能质量问题的概念是：“任何出现的电压、电流以及频率偏移导致的用户设备损坏或运行不正常的电能问题”。

简言之，电能质量问题就是造成设备不能正常工作的各种电力问题。

2、电能质量问题分类电能质量问题主要可以分为稳态和暂态两大类，稳态电能质量问题以波形畸变为特征，暂态电能质量问题主要频谱和暂态持续时间为特征。

主要可分为以下几类：•谐波畸变•断电•过电压或欠电压•电压暂降和浪涌•瞬变•频率偏差•三相不平衡3、电能质量问题带来的危害每个电能质量问题都有其自身不同的诱发原因，一些问题是由于基础设施的共享造成的，另一些问题则是用户自身的装置产生的。

所有这些问题都影响了系统和用户的运行。

据美国官方统计：近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。

近年随着对电能质量问题研究的不断深入，电能质量问题开始呈现如下的几个新特点：•电能质量问题的主要来源发生了较大的变动以前电能质量问题主要来源于系统侧，近年来用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量恶化的重要因素。

例如从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器会引起电网电流电压波形的畸变。

大型电弧式设备（如电弧炉、弧焊设备等）也成为重要的冲击源和谐波源。

另外，各种为了减少重要设备对电能质量问题敏感度而采取的改进措施和保护装置对电能质量造成了更大的危害。

可以说用户负荷正成为电能质量问题尤其是新电能质量问题的主要来源。

•电能质量问题的形式发生了较大的改变现在，通常的电能质量问题如谐波、三相不平衡等依然存在且严重性正在增加。

同时随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来许多新的电能质量问题形式，这些都是动态电能质量问题，它们出现的次数已超过常规供电质量问题。

•电能质量问题造成的危害越来越大电能质量问题给电力系统的安全稳定运行造成很大影响，如电铁牵引负荷引起的谐波和负序分量造成保护装置误动作，引起系统解列运行，造成无功补偿电容器不能安全投入运行，降低了系统运行稳定性。

各种新出现的电能质量问题也给用户带来巨大的经济损失，电压跌落和瞬时供电中断已被认知是影响许多用电设备运行的最严重的动态电能质量问题。

在现代工业中，由于任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大。

而因意外的作业中断而不能按期交货导致商家信誉度下降也无疑是巨大的隐形损失。

动态电能质量问题已成为目前影响供电可靠性的主要因素。

二、关于谐波畸变谐波是电能质量的一个重要标志。

随着电力电子装置的广泛使用，电网中的谐波含量不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，被公认为电网的一大公害。

1、定义在一个理想的电力系统中，电压电流波形是纯正的正弦波（通常称为基波）。

实际上，系统中存在很多非线性负荷导致了电压电流波形发生畸变。

这些非正弦波可以分解为一个基波频率的正弦波和多个整数倍基波频率的正弦波之和，这些整数倍基波频率的正弦波就是我们所说的谐波。

IEEE标准519-1981中的定义为“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

”图1-1给出了一些典型的谐波波形图。

图1-1 一些典型的谐波波形2、主要谐波源所有的非线性负荷都会产生谐波电流，都是谐波源。

一般可以分为以下两类：•传统非线性设备包括变压器、旋转电机、电弧炉、电焊机等。

•现代电力电子非线性设备包括荧光灯、电子控制装置和开关、晶闸管控制设备等。

而晶闸管控制设备包括整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等。

3、谐波引起的问题•谐振和谐波电流放大在谐波频率下，系统感抗增加容抗减小，可能产生并联或串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，常常使电容器和电抗器烧毁。

•引起附加损耗•集肤效应•断路器开断能力降低流过电网中断路器的电流含有较大谐波时，在电流过零点处的di/dt可能比正常时大很多，从而使断路器的开断能力降低。

•中线过负荷民用建筑中，大量使用的荧光灯和其他产生大量3次谐波的灯具及各种电器，这些3次谐波均从中性线流过，甚至使其电流超过各相电流（通过对商业大厦进行研究表明，中线电流经常在相线电流的150％～210％），导致导线过载过热、绝缘损坏。

•变压器、旋转电机、输电线路等过热•继电器误动作•电能计量误差电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。

•干扰通信系统谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。

干扰严重时会引起信号的丢失。

一般情况下，540Hz（9次，基波为频率60Hz）至1200Hz范围内的谐波产生的干扰危害性较大。

在三相四线系统中三倍频谐波（3次、9次、15次）最容易引起问题。

4、谐波抑制措施谐波的抑制方法一般分为三种：受端治理、主动治理和被动治理。

•受端治理指从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗谐波干扰能力。

受端治理的措施主要有：选择合理的供电方式、避免电容器对谐波的放大、提高设备抗谐波干扰能力和改善谐波保护性能等。

•主动治理指从产生谐波的非线性设备入手，对设备本身进行改造，使其不再产生谐波或降低其产生的谐波。

这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。

主动治理的措施主要有：增加变流装置的相数或脉冲数、改变谐波源的配置或工作方式、采用多重化技术、谐波叠加注入、采用PWM 技术、设计或采用高功率因数变流器等。

•被动治理指针对系统中已经存在的谐波进行治理，使电网受到的影响减到最小。

即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。

被动治理的主要措施有：无源滤波器（Passive Filter--PF）、有源滤波器（Active Power Filter--APF）、混合型有源滤波器（Hybrid Active Power Filter--HAPF）。

三、无功与电压20世纪70年代以来世界上一些大电网（如美国、日本、法国等）连续发生以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积长时间停电，给社会造成巨大的经济损失和社会生活紊乱，使无功和电压稳定性成了关注的焦点。

电压质量问题是电能质量问题的一个重要组成部分。

电压质量问题包括两个方面：一方面是电压幅值不符合电能质量要求，即电压偏高或偏低，这主要是无功调节不力造成的；另一方面是三相电压不平衡，这主要是三相间负荷分布不均匀引起的。

无功功率是电气技术领域一个必不可少的重要物理量，无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行不可或缺的部分。

电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定性破坏事故。

1、无功功率1.1 定义• 正弦电路的无功功率电压电流均为正弦波时，其电压、电流瞬时值表达式为t U u 1sin 2ω= ()t I t I t I i 111cos sin 2sin cos 2sin 2ωφωφφω-=-= （1-1）瞬时功率为()()t UI t UI t t UI ui p 11112sin sin 2cos 1cos sin sin 2ωφωφφωω--=-==（1-2）有功功率φcos 10UI pdt T P T⎰== （1-3）无功功率φsin UI Q = （1-4）无功功率反映了内部和外部往返交换能量的情况。

• 非正弦电路的无功功率当电压、电流均具有非正弦波形时，电压电流可分解为傅立叶级数，即()()∑=+=Nn n n t n U t u 11sin 2αω()()∑=+=N n n n t n I t i 11sin 2βω （1-5）根据有功功率的定义和三角函数的正正交性可以得到⎰∑==Tn n n n I U pdt T P 0cos 1φ （1-6）仿照上述有功功率的定义，得到非正弦电路情况下无功功率为n n n n I UQ φsin ∑= （1-7）可见，非正弦波的情况下，在同一个谐波源内可能会出现某次谐波是感性无功而另一次谐波则是容性无功，此时无功功率已经没有能量交换的最大量度等物理意义了。

1.2 电力系统无功电源与无功负荷•无功电源在电力系统中，无功电源主要是同步发电机、同步调相机和同步电动机。

•无功负荷有异步电动机、变压器、电力线路、整流装置和其他用电设备。

1.3 无功功率对电力系统的影响无功功率主要用于电路内电场和磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电源和负荷之间提供电压降落所需要的势能。

无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功的交换将引起发电和输电设备上的电压降和电能损失。

不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，而且大多数用户负荷也要消耗无功功率，以产生维持这些设备正常工作所必须的交变磁场。

无功不是无用功率，它能为能量的交换、输送、转换创造必要的条件，但大量的无功在系统中经高低压供电系统流入设备，会引起有功损耗，形成电压降落，影响电能质量。

1.4 无功功率补偿系统中的元件都要消耗无功，如果这些所需的无功都由发电机提供并经长距离传送，显然很不合理也不可能。

如果这些所需的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电设备的安全就会受到影响，因此无功补偿对电力系统有重要意义。