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1、谐波的治理以及无功功率的补偿一、谐波的来源一、谐波的来源 “谐波”一词起源于声学。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德 国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。二、谐波的定义 定义：谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。三、谐波的分类三、谐波
2、的分类 谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。根据谐波频率的不同，可以分为：3.1、奇次谐波、奇次谐波 额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次波”，如3、5、7次谐波；3.2、偶次谐波、偶次谐波额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电
3、流是6n1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。变频器主要产生5、7次谐波。四、谐波的危害、谐波的危害1、高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加线路损耗，浪费电网容量。2、影响供电系统的无功补偿设备，谐波注入电网时容易造成变电站高压电容过电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜无法正常投切，更严重的请况下，电容柜会将电网谐波进一步放大。3、影响设备的稳定性，尤其是对继电保护装置，危害特大。4、谐波的存在会造成异步电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，
4、影响电力电子计量设备的准确性。5、谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率；还会 造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。五、国内治理谐波污染的几种方法 目前常用的谐波治理的方法无外乎有二种，无源滤波、有源滤波及无功补偿。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。5.1、无源谐波滤除装置、无源谐波滤除装置 无源滤波器的主要结构是用电感器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。5.1.1、无源滤波装置的优点、无源滤波装置的优点
5、 无源滤波装置的生产成本较低，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便，国内外广泛采用。5.1.2、无源滤波装置的缺点、无源滤波装置的缺点 无源滤波装置滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。5.1.3、无源滤波装置的现状、无源滤波装置的现状 现在，市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这
6、种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。因此，业主不得不要求滤波。因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。5.2、有源谐波滤除装置、有源谐波滤除装置 有源谐波滤除装置是在无源滤波装置的基础上发展起来的。5.2.1、有源滤波装置的优点、有源滤波装置的优点 有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。5.2.2、有源滤波装置的缺点、有源滤波装置的
7、缺点 有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。5.2.3、有源滤波装置的原理、有源滤波装置的原理 有源滤波装置主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。5.2.4、有源滤波装置的适用场合、有源滤波装置的适用场合有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。5.2.5、有源滤波装置的现状、有源滤波装置的现状对单台的有源滤波装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，
8、不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。5.3、无功补偿、无功补偿 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。5.3.1、谐波和无功功率的产生、谐波和无功功率的产生 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的
9、电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的
10、整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。5.3.2、无功补偿概述、无功补偿概述 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说
11、，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。5.3.3、无功功率的影响、无功功率的影响5.3.3.1、无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户
12、的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。5.3.3.2、无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。5.3.3.3、使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。5.3.4、无功补偿的作用、无功补偿的作用无功补偿的作用主要有以下几点：5.3.4.1、提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。5.3.4.2、稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。5.3.4.3、在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适
13、当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。六、谐波污染治理六、谐波污染治理 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。目前，治理谐波的主要方法就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器。下面介绍几种谐波治理及无功补偿的方法：6.1、静止无功补偿装置简称SVC（Static Var Compensator）是指没有运动部件的无功补偿装置。6.2、TCR（T
14、hyristor Controlled Reactor）是晶闸管投切电抗器型静止无功补偿装置。由于单独的TCR只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联电容器配合使用。并联电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。特点：可连续调节补偿装置的无功功率，有谐波产生，一般与TSC或FC滤波器配套使用。6.3、TSC（Thyristor Switched Capacitor）是晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置。电容器的投切开关为晶闸管。特点：可断续调节补偿装置的无功功率，无谐波产生，可单独使用或与FC滤波器配套使用。6.4、SR(Saturated Reactor）是饱和电抗器，是一种早期的静止无功功率补偿装置。6.5、TCT（Thyristor Controlled Transformer）是晶闸管控制变压器型静止无功补偿装置，是TCR的一种变形。6.6、MSC（Mechanically Switched Capacitor）是机械投切电容器，电容器的投切开关为机械断路器。6.7、FC(Fixed Capacitor）是固定电容器，一般与电抗器组合使用，组成多回路LC滤波器。