无功补偿与谐波治理技术(铜业协会)

无功补偿与谐波治理技术(铜业协会)

无功补偿与谐波治理技术

报告人：许强

全国电压电流等级和频率标准化技术委员会委员中国电工技术学会电力电子学会理事报告日期：2009年4月

无功补偿与谐波治理技术(铜业协会)

一、功率因数为什么会变低？什么是无功功率？

我们知道，通常我们所

用的交流电压是50Hz的正

弦波，在电压的两端接上

负载就会产生电流，如我

们在220伏（或380V）的

电源上接一个电灯，电灯

中流过电流，灯就亮了。

当负载是电阻时，电压波

形的相位与电流波形的相

位完全相同，即电压波形

与电流波形重叠在一起。

这时电网送出的功率也与

消耗的功率相等。

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而现实生活中电阻负载使用

的较少，大多数负载都有一定

的电感，如变压器、电动机、

洗衣机、冰箱、空调等都是带

有电感性的负载，这样就使电

压波形的相位与电流波形的相

位不能重叠，电流的波形（红

色）就会比电压波形（蓝色）

迟后△T的时间，△T时间越

大，功率因数越低，消耗的无

功功率也越大。那么电网送出

的功率（视在功率）也与消耗

的功率（有功功率）就不再相

等了，电网送出的功率是如下

表达式：

电网送出的功率（视在功率）＝实际消耗的功率（有功功率）＋无功功率

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什么是无功功率：

无功功率决不是无用功率，它是另外一种能量消耗的表达形式，如电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的旋转磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此没有无功功率的话，电动机不会转动，变压器不会变压等。因此在正常情况下，用电设备不但从电网中取得有功功率，同时还需要从电网中取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下的工作。能反映无功功率被使用的指标是用电的功率因数，即COSØ。

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二、功率因数低的危害

无功功率不足时，对供、用电产生一定的不良影响

主要表现在以下几个方面：

1）降低发电机有功功率的输出；

2）降低了输、变电设备的供电能力；

3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；

4）造成设备运行时电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥；

要充分认识得问题是，从发电机和高压输电线供给的无功功

率，远远不能满足用电设备的要求，为了保证电气设备运行的效率和降低费用（对无功功率电力部门也按计量收费），应加相应的无功功率补偿。

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举例：

变压器容量为250kVA，平时功率因数为0.7，变压器已出满功率175kVA，其他容量被无功占用。现在要增加60kW的电动机。如果不采取措施的话，变压器的容量不够用，需更换变压器。采取的解决方案就是提高功率因数，在该变压器二次侧对现有设备进行补偿，补偿后功率因数提高到0.95便达到增容的目的，这样变压器的有功输出能力由原来的175kW提高到237.5kW，在原来的175kW的基础上再加60kW的电动机也只有235kW，因此提高功率因数就解决了变压器的输出能力。

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功率因数补偿容量的计算：

Q-- P-- η---- --αβ需要补偿的无功容量；实际有功总容量；平均使用率；补偿后需要达到的功率因数；补偿前的功率因数；

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电能质量问题

50~60年代（变压器、电动机）

70~80年代（变压器、电动机、SCR应用）

90年代到21世纪（先进的工艺流程、先进的设备）产生了我们意想不到的电能质量问题

晶闸管时代

全控型器件

迅速发展IGBT出现

功率集成器件

1970198019901995至今

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¾整流、变频器装置等

3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流

C

e1

e2

e3

M i

谐波电流是

S=23kVA THDI=124% 谐波频谱

81% H5, 74% H7, 42% H11, ...

H

1

1

H

1

3

H

1

7

H

1

9

H

2

1

H

2

3 0

50

100

H

1

H

5

H

7

谐波产生及分析：（无电抗器）

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谐波电流是

S=122kVA THDI=30%

谐波频谱

28% H5, 5% H7, 6% H11, ...

L1

Z

C

L2

L3

e1

e2

e3

i

20

40

60

80

100

H

1

H

5

H

7

H

1

1

H

1

3

H

1

7

H

1

9

¾整流、变频器装置等

3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流谐波产生及分析：（有电抗器）

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若以a 相电压过零点为时间零点，则有:])(19sin 191)(17sin 171)(13sin 131)(11sin 11

1)(7sin 71)(5sin 51)[sin(32L αωαωαωαωαωαωαωπ?????+?+?????=t t t t t t t I i d a 可得电流基波和各次谐波有效值分别为:

???

????=±=====L ,3,2,1,16,36361k k n Ia n I n I Ia I I d n d ππππ955.031≈==πνI I I I I I i h 2965.0955.012212=?=?=可得谐波电流为：即变频器的谐波将占总电流的29.65%左右可得基波因数为:

L1Z C L2L3e1e2

e3i

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谐波源设备：

变速传动装置（包括交流、直流） 晶闸管控制设备

固定式换流器（UPS不间断电源） 电弧炉、中频炉电源

电焊机

大建筑物中的照明

饱和电抗器

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谐波治理的最初方法：无源滤波器

LC无源滤波器

¾单调谐滤波器

¾高通滤波器（效果并不理想）

¾双调谐滤波器（用的很少）

LC无源滤波器

¾失谐滤波器

（只保证功率因数）

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R ω /(n ωS )

210Z fn ?Z R j n L n C fn fn S S =+?()

ωω1

单调谐滤波器对某一频率的谐波呈现低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。

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无源滤波器的局限性，很难满足目前高度自动化控制过程中谐波变化的治理要

求，同时还有系统及谐波放大的问题。

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并联型有源电力滤波器交流 电网iSiL iC负载(谐波源)iL = iLf + i …… 此处隐藏：1009字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……