低压无源滤波无功补偿技术概要

并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性，在具有谐 波背景的系统中，大量的非线性负荷会产生大量的谐波电 流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增加，而 补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流入电容器支 路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的1.3倍时， 电容器将会因过流而产生故障。另外，在接有谐波源负载 的电网上直接连接电容器，会出现多方面的干扰问题，因 为电容器容抗和电网阻抗形成一个并联谐振回路，在谐振 频率下其阻抗达到很高的数值，如果谐波电流频率与并联 谐振频率相同或接近，则导致产生很高的电压降，电网和 电容器支路流过很大的谐波电流，其数值甚至达到原有谐 波电流的数十倍，这种现象称为谐波放大。如果电网中存 在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重 时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电 压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电 流，从而大量的破坏电容器。
无功补偿，串联电抗率选择的一般原则为： ①、电容器装置接入处的背景谐波为3次 当接入电网处的背景谐波为3次及以上时，一般为12%；也可采用4.5%～6% 与12%两种电抗率。设计规范说的较含糊，实际较难执行。笔者认为，上述情况 应区别对待： ● 3次谐波含量较小，可选择0.1%～1%的串联电抗器，但应验算电容器装置 投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。 ● 3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12%或12%与4.5%～ 6%的串联电抗器混合装设。 ②、电容器装置接入处的背景谐波为3次、5次 ● 3次谐波含量很小，5次谐波含量较大（包括已经超过或接近国标限值）， 选择4.5%～6%的串联电抗器，忌用0.1%～1%的串联电抗器。 ● 3次谐波含量略大，5次谐波含量较小，选择0.1%～1%的串联电抗器，但应 验算电容器装置投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。 ● 3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12%或12%与4.5%～6% 的串联电抗器混合装设。 ③、电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上 ● 5次谐波含量较小，应选择4.5%～6%的串联电抗器。 ● 5次谐波含量较大，应选择4.5%的串联电抗器。 ④、对于采用0.1%～1%的串联电抗器，要防止对5次、7次谐波的严重放大或 谐振；对于采用4.5%～6%的串联电抗器，要防止对3次谐波的严重放大或谐振。




电网中主要的谐波源可分为两大类： 一是含有半导体非线性元件的设备，如各类整流设备、交直流换 流设备、变流器、逆变器、变频器、晶闸管控制器等； 二是含有电弧和铁磁非线性元件的设备，如电弧炉、电焊机、荧 光灯、铁磁谐振等设备。 产生电力谐波的行业和主要的非线性设备有： 1、钢铁、冶金行业-------电弧炉、精炼炉、直流炉、轧机、中频 炉、高频炉、各种电力电子设备； 2、机械、石油、化工、轻工行业--------轧制机械、变频调速装置、 电解槽、整流器、换流设备、电焊机、感应加热炉； 3、铁道、矿山、水厂行业--------牵引机车、升降机、调速拖动装 置、变频调速装置、直流充电机、消磁机、变频驱动装置。 4、车站、机场、码头、电信、广播行业--------照明调光设备、直 流电源、不间断电源、交直流逆变器、 射频发射机、通信交 换机、变频电源。 5、商业建筑和居民区---------照明调光设备、直流电源、不间断 电源、变频电源、家用电器。
1、无源滤波补偿装置的介绍
a——单调谐滤波器，最简单，应用最广泛。主要用于滤除单一频 率的谐波。 b——双调谐滤波器，用于滤除两种频率的谐波。 c——2阶阻尼滤波器，又称高通滤波器。主要用于滤除某个频率以 上的所有高次谐波。 d——C型滤波器，阻抗特性与高通滤波器相似，但是基波损耗小， 主要用于低次谐波多的场合，如谐波源为电弧炉的用电系统。
把具有容性负荷的装置与感性负荷并联接在同一电路,当 容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量;而感性负荷释 放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间 互相交换，这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负 荷输出的无功功率中得到补偿，在用并联电容器进行无功 补偿的供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为 主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大得 多可发出无功功率，对电网进行无功补偿。补偿无功功 率，提高电能质量，降低损耗，同时提供配电运行数据。 并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的 无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。
三、低压并联电容补偿面临的突出问题
1、传统的低压并联电容无功补偿设备的使用现状： 1、采集单一信号，采用三相电容器，三相共补 传统的低压无功补偿方式适用于负荷主要是三相负载 （电动机）的场合，但如果当前的负载主要为居民用户， 三相负荷很可能不平衡。那么各相无功需量也不同，采用 这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。 2.1.2、投切开关多采用交流接触器 其缺点是响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生 冲击涌流，使用寿命短。 2.1.3、无功控制策略 控制的物理量多为电压、功率因数、无功电流，投切 方式为：循环投切、编码投切。这种策略没有考虑电压的 平衡关系与区域的无功优化。 2.1.4、通常不具备配电监测功能
3、原因
补偿设备的故障主要表现为电容器因过载失效，严重的甚至发 生燃烧、爆炸等恶性事故。出现上述状况的原因，主要是近几年低 压电网受到谐波污染的现象越来越普遍、越来越严重，如表1所示 由于大多数用户及设备制造厂没有针对这种变化采取措施，在 设计及元器件选取方面仍采用以前的技术方案，使得低压无功补偿 设备的可靠性和安全性大大降低。表1所示：
无源滤波的原理与低压并联电容无功补偿的区别
如图1所示，使用电抗器与电容器串联，组成一 个LC串联谐振电路，把该电路并联在电网中，即构 成一个最基本的无源滤波回路。
在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此 可对相关谐波形成“短路”，在谐振频率以下滤波回路呈容， 因此，滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时输出容性基波 无功功率以补偿用电回路中的感性无功功率。这就是无源滤 波补偿技术区别于以往的低压并联电容无功补偿技术的根本 原因。
以前
用电设备 多为线性负荷
现在
存在大量非线性负荷，主要有：
○电力电子器件，如整流器、变频器、开关电源 ○电弧设备，如电弧冶炼炉、气体放电灯 ○磁饱和设备，如变压器、发电机
电网质量 无功补偿设备 故障原因
基本上没有谐波 元器件质量差 制造安装问题
谐波污染严重 ○谐波畸变率大 ○元器件质量及选型问题 ○设计问题
低压无源滤波无功补偿技术系列培训
之《低压无源滤波无功补偿系统的简要介绍》
主讲人 赵国强
一、前言
谐波、电压瞬间跌落、闪变是目前电能质量的三问
题，而“谐波污染”目前已经成为电网内三大公害之首， 公 用电网谐波是电能质量的一项重要指标，它反映了电力系 统中谐波污染的程度，直接影响到电网和用户电气设备的 正常安全运行。接入电网的各种整流设备和其他谐波源设 备所产生的谐波电流注入电网，使得供电电压正弦波形产 生畸变，电能质量下降的主要原因。 谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率 的整数倍，谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系 都是影响这个周期量的重要因素。
谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器 （1）、无源滤波装置：
主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只 能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使 得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某 一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基 波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但 不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器 以及保护和控制回路。 （2）、有源电力滤波器：这种滤波器是用电力电子元 件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵 销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电 力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能 全部滤除干净。
但其明显的缺点是：
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1、滤波电抗器和并联补偿电容器的选配不合适时，容易引发谐
振，放大谐波，损坏电容器，降低了补偿回路的可靠性； 2、接入串联滤波电抗器后，会提高低压并联电容器的运行电压，
不但容易加大了功率损耗，而且易造成电容器过电压；
3、由于其无功补偿回路里，电容器普遍采用的三角形连接方式， 即使串联滤波电抗器，但由于其电容和电抗未能组成对各个高次谐
三、谐波的抑制和治理
1、谐波对电力系统的影响
谐波对电力系统的影响可以归纳为以下几方面：
1）电容器、变压器、电动机的发热和故障； 2）保护系统和控制电路的误动作； 3）测量仪表的不精确工作，如计量电费的电度表读数偏差； 4）损坏电子设备； 5）缩短白炽灯寿命。
其中谐波导致电容器失效，使无功补偿设备瘫痪是最 为常见的。因此在存在谐波的情况下，设计无功补偿装置 时必须采取专门的抑制谐波措施。
2、低压补偿柜的技术改进和新技术应用，归纳起
来主要有以下几方面： 2.2.1、由三相共补到分相补偿，以求达到更理想 的补偿效果； 2.2.2、由单一的无功补偿到同时具有抑制谐波功 能的补偿装置； 2.2.3、从采用交流接触器进行投切，到选用晶闸 管开关电路投切，以及发展为等电压、零电流投切
的最佳投切模式；
无源滤波器的选配方法 (1)、在一台配电变压器的低压侧，事先计算出无功功率 最大变动范围，按最大无功负荷配置无源滤波器的总功率 (基波补偿功率); (2)、估算出低压侧各次谐波的可能最大谐波电流; (3)、按各次谐波电流大小，确定电容器是否需要串联电 抗器，这里的关键是如何区分选择？是否可以这样考虑 :各次谐波电流乘上变压器的谐波阻抗得出的谐波电压超 出标准值的80%或现在未超但不久即可能超过的，优先采 用调谐滤波器; (4)、将无功功率也按各次谐波电流相对大小分配在各 次的单调谐滤波器上，然后复核滤波器的谐波电流是否会 过负荷，滤波后的谐波电压降低是否满意，总体上一般以 无功不过补，谐波可放松些为原则。即使如此，还可能需 要反复多次，有计算机程序可以快捷得到结果; (5)、运行中，如果无功负荷降低，根据情况应切除部分
波形成滤波的低阻抗的谐振吸收回路，所以，这种谐振频率在电网
最低次谐波频率以下，在对谐波源的抑制方式上，只有采取以抑制 主要的一个谐波源为主，兼有抑制其它高次谐波为目的，其最多也 只是压制一部分谐波的峰值，而没有有效滤除各次谐波的作用，这 种电容器串联电抗的回路称为失谐滤波回路，主要用于防止谐振， 保护电容器，同时吸收少部分的谐波电流，即使其配置的比较合 适，滤除各次谐波的效果也未必很理想。
二、无源滤波与并联电容无功补偿在原理上区别
1、低压无功补偿的传统模式主要有三种型式：

装于低压电动机的单台电容就地补偿柜；


装于配电变压器低压侧的并联电容集中补偿柜；
装于企业配电房或车间以及高层建筑楼层配电 间的自动补偿柜（如PGJ柜等）。
2、低压并联电容无功补偿的原理，与其无功补偿 的局限性
2、谐波的治理主要市场分析 相比较于无源滤波，有源滤波器的价格十分昂 贵，目前还难以普遍推广，有源滤波器自身会消耗 3%的系统能量，作为高频开关设备，其长期运行 的维护成本也比较高。有源滤波器在工作频率附近 会产生次数很高的谐波，其产生的高频补偿电流也 会注入到已装的电容补偿柜、或者系统的其他敏感 设备中，谐波短路可能造成某些设备工作不正常、 或使用寿命的减少，在工业现场要增加其他的措 施。对于大容量谐波负载的补偿，工业现场还是推 荐使用高质量的无源滤波器。
低压并联电容无功补偿装置通常用接触器或者晶闸管控制电容器组 投切来实现，但是由于它是依靠并联电容器组来提供无功功率，因 而存在如下缺点： ⑴、 响应时间长，通常要几百个毫秒，不能动态补偿无功。 ⑵、 补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无 功越小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水 平。 ⑶、 由于向电网并联了电容，在有谐波背景的系统中大量的 非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，电网和电容器支路流 过很大的谐波电流，甚至引起该谐波将直接被放大严重时还会发生 并联谐振或串联谐振，从而大量的破坏电容器。 ⑷、 只能分级补偿固定的无功功率(其补偿精度决定于电容 器组中单台电容器的电容量), 而不能实现连续、线性的补偿，不能 连续调节和吸收滞后（感性）的无功功率，补偿量衰减快，补偿无 功容量和系统所需无功有一定的差别，功率因数不能提的很高，欠 补和过补时常发生。