谐波的危害及无功补偿与谐波治理的意义

谐波的危害及无功补偿与谐波治理的意义 文章来源：保定瑞祥电力设备有限公司

随着工业的发展，客户的用电量不断增长，谐波的影响和危害也日益严重。　　1 谐波源电力系统中谐波源有以下几种：一是各种非线性用电设备，如换流设备、调压装置、电气化铁道、电弧炉、光灯、家用电器以及各种电子节能控制设备等是电力系统谐波的主要来源。这些设备即使供给它理想的正弦波电压，它取用的电流也是非线性的，即有谐波电流存在。这些设备产生的谐波电流也会注入电力系统，使系统各处电压产生谐波分量，这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，基本上与电力系统参数无关。二是供电系统本身存在的非线性，元件这些非线性元件主要有变压器励磁支路、交直流换流站的晶闸管控制元件、晶闸管控制的电容器、电抗器组等。三是家用电器，如荧光灯等的单个容量不大，但数量很多且分布于各处，又难以管理。如果这些设备的电流谐波含量过大，会对电力系统造成严重影响，此类设备的谐波含量，在制造时即应限制在一定的范围之内。　　2 电容器不能正常投入问题的分析通常将低压电容器组接到配变二次侧或0.4 kV母线上，以补偿变压器和负荷的无功损耗，由于无功自动补偿装置能够根据负荷的变化自动投切电容器组，使功率因数保持在0.9以上，且不过补偿，能够获得良好的补偿效果。但装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化，即可大可小，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振或导致该次谐波被放大。谐波电流一旦被电容器放大并迭加在电容的基波电流上，这将使流过电容器电流的有效值增加，电力电容器会由于谐波电流引起绝缘介质损耗加大、温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器损坏。　　此外，谐波电流放大引发的谐波电压增大一旦叠加在电容器的基波电压上，同样会使电容器承受电压有效值增大，并且电压峰值也会大大增加，造成电容器发生局部放电，这也是电容器损坏的一个主要原因。由于电容器对谐波电流的放大作用，它不仅危害电容器本身，而且会危及电网中的其它电气设备，严重时会造成电气设备损坏，甚至破坏电网的正常运行。　　因此，当谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，引起谐波电压与谐波电流的放大是影响电容器正常运行原因之一。存在非线性负荷的客户要保证电容器的正常运行，必须要解决好电容器对谐波电流的放大问题，而解决问题的根本方式就是采取措施抑制谐波的产生。　　3 谐波对配网的危害谐波除了影响电容器正常运行之外，还会对以下设备造成危害：　　3.1 对变压器的影响谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及奇倍数谐波，对三角形连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热;对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成谐振，使变压器附加损耗增加。　　3.2 对配电线路的影响线路阻抗随着频率的升高而增加，谐波电流使线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗，所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素。线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路，在一定的参数条件下，会发生串联谐振或并联谐振，而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大。在适当的条件下还会形成谐波放大。而谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏。　　3.3 影响继电保护和自动装置的正确性谐波影响以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰(电气化铁道、电弧炉等)则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后果。系统中不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。　　3.4 影响计量装置的准确性电能计量装置按50Hz标准的正弦波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表(尤其是电子式电能表)的正常工作。有谐波源存在时，该处用户的电能表的记录应为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能，故谐波能使电能计量装置产生误差。　　4 谐波的治理 GB/T 14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也做了相应的规定。目前对谐波的危害没有引起足够的重视，往往认为谐波治理是电力部门的事情，是一种单边行为，这是一个很大的误区，作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传，强调谐波治理的重要性和必要性。在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案。这样做，不仅能够改善整个网络的电能质量，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染，减少能耗，提高电能利用率。谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波。谐波治理若干办法有：加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了规范，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料;在谐波变化较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。　　对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求;对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。认真做好业扩、报装接电的审查工作。抑制用电设备谐波分量的产生，新的非线形负荷接入电网前后要进行现场测试，检查谐波是否符合规定，对谐波超标的客户需落实好整改措施，按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，进行谐波治理。加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅要靠供电部门，还要调动电力供需中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。　　5 结束语谐波电压与谐波电流的放大是影响电容器正常运行原因之一，存在非线性负荷生产设备的客户要保证电容器的正常运行，要解决好电容器对谐波电流的放大问题，采取措施抑制谐波的产生，如加装消谐装置。另一方面，谐波治理需要供电部门和客户共同治理并想方设法提高抗谐波干扰的能力，只有这样供、用电双方齐心协力才能搞好谐波治理的工作。　无功补偿和谐波治理是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、电工理论等领域的重大课题，由于电力电子装置应用日益广泛，谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。　　一、无功补偿与谐波治理的意义　　无功补偿与谐波治理都与供电系统的电能质量密切相关。谐波治理本身就属于改善电能质量的范畴，而无功补偿装置在补偿负荷或系统无功功率的同时也直接调节了系统电压，在一些枢纽变电站利用电力电容器和相控电抗器及现代电力电子控制技术组成的静止无功补偿器(SVC)直接作为电压调控的手段，由于其响应迅速调控精准，工程应用十分满意。由此可见无功补偿也对电能质量的提高有着直接积极的意义。　　(1)电能质量的现状　　电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电，并且在三相交流系统中，各相电压电流的幅值应大小相等、相位对称。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变、调控手段不完善等因素使这种理想的状态并不存在，由此产生了电能质量问题。电能质量包括供电电压质量、供电频率质量、供电电流质量，而其确切定义国内外尚无统一共识，进入90年代后，我国分别颁布了规范电能质量的技术标准，包括：　　GB12325-1990 《电能质量供电电压允许偏差》　　GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》　　GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》　　GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》　　GB12326-2000 《电能质量电压波动和闪变》　　其中，电压和频率均由电源进行控制，目前我国在发电和传输系统均进行了严格的控制，在电能的传输与使用过程中能够达到标准要求，而公用电网谐波属于双向传输污染，既可以由电源传递给电能用户，也可由电能用户传递到公用电网。随着我国经济建设和科学技术的发展，非线性用电设备的种类、数量和用电量正在迅猛增加，自上世纪90年代中后期，我国电网开始遭遇并迅速面临同发达国家的谐波污染问题，谐波问题由此成为电能质量中*为引人关注问题。目前研究和解决电能质量问题已成为电力发展的当务之急。主要的研究方向有以下几点：　　a) 研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取的相应对策。　　b) 研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的措施。　　c) 研究电能质量污染对高新技术企业的影响并应采取的相应的技术手段。　　d) 加强电能质量控制装置的研制。　　我国电能质量控制与治理技术在国家相关标准颁布之后已经取得一定成效，目前已经掌握了代表电能质量控制装置技术水平的电能质量控制器(ASCG)的技术，并生产出了相应产品，而目前只有美国、日本、德国掌握了这项技术，但大容量电能质量控制器的研制还与国外有一定的差距，还需进一步加强投入。　　(2)无功补偿的意义　　发电机发出的功率包含了有功功率和无功功率，有功功率通过各种设备转换为其他形式的能量直接产生经济效益，而无功功率只在电力系统内部不同设备间交换用以建立电力设备工作的电磁环境，其本身不做功不直接产生经济效益，因此称为无功功率。电力系统本身对无功功率的需求比有功功率大，若综合有功发电*大负荷为100%，则无功总需求约为120%~140%，它包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功损耗，而发电机的功率因数一般大于0.8，所以单靠发电机发出无功功率是不能平衡电力系统无功需求的。　　大量的无功功率在线路中传输将不可避免的造成输电线路、变压器损耗增大，造成线路电压降落并影响用户供电质量，直接从发电机索要无功将使发电机的有功出力减少，因此长距离输送无功功率也是电力系统不允许的。　　用户无功缺乏将导致设备功率因数偏低，设备运行功率达不到额定功率，效率低下。所以为了减少有功损失和电压降落，释放变压器、发电机容量、提高用户设备利用率和电网供电质量，在负荷中心需要加装无功功率电源，进行无功功率补偿，以实现电力系统的无功功率平衡。此外根据当前国务院“节能减排”的工作部署，电力系统领域利用无功补偿提高设备的利用率、充分利用发电机的出力从而降低对化石燃料的需求也是“节能减排”的重要途径。　　(3)谐波治理的意义　　如前所述，谐波问题已成为电能质量中*为引人关注的问题，谐波会造成电力系统电压畸变，使电能的生产、传输和利用的效率降低，其危害还体现在：　　a) 对用电设备安全运行的影响和危害，包括：　　—— 引起各类电机和变压器的局部过热、过电压、机械振动和降低输出功率; 　　—— 增加电容器和电缆绝缘介质的局部放电和温升，引起机械振动，缩短使用寿命等。　　—— 引起计算机及其系统的数据丢失、误显示、误传、元件损坏等事故; 　　—— 引起电视机图像变坏、翻滚，引起其他视听设备的杂音等。　　b) 对电力系统安全运行的影响和危害，包括：　　—— 降低断路器、避雷器、电压互感器的正常功能，严重时直接损坏这些设备; 　　—— 引起继电保护和其他自动装置的误动、拒动或损坏，直接危及系统的安全运行; 　　—— 增大电力系统的线损，增加电能表和其他常规表计的误差。　　c) 对通信系统的电磁干扰，引起电话杂音，有时出现过电压等。　　由谐波引起的诸多问题可以看到谐波治理已是刻不容缓，降低谐波产生的危害将对社会生活、工业生产产生巨大效益，谐波治理的意义更可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识，对于电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。　　(4)无功补偿与谐波治理的关系　　无功补偿主要用于补偿系统无功功率，谐波治理主要用于净化电网谐波污染，虽然二者分属不同的领域和研究方向，但他们之间的紧密联系以体现在实际应用的各个方面。总结来说主要有以下几点原因：　　a) 谐波治理属改善电能质量的范畴，无功补偿同样可以改善供电系统的电压质量,因此在电能质量领域二者有此紧密联系。　　b) 在无谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义，而在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除其本身的问题外，也影响负载和电网的无功功率，谐波功率不产生任何效益，也可认为是“无功”功率。　　c) 产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置。　　d) 目前为止谐波治理装置大都是补偿基波无功功率的装置，如广泛应用于各领域的LC滤波器。　　正因此，谐波治理和无功补偿在实际应用领域经常被提在一起。　　二、无功补偿装置与谐波治理装置的现状　　介于无功补偿和谐波治理在生活生产中的现实意义，国内外在无功补偿和谐波治理装置的研究方面作了大量的工作。无功补偿装置从*早期的同步调相机补偿，到如今广泛应用的电力电容器补偿，再到结合现代电力电子技术的各种静止补偿装置，谐波治理装置从广泛应用的LC滤波器到基于电力电子技术和现代控制技术的有源电力滤波器(APF)，都经历几代的变迁和技术的飞跃。　　(1)无功补偿装置的类型和特点　　无功补偿装置种类繁多，随着时代和技术的发展主要经历了以下几种：同步调相机、电力电容器和并联电抗器、静止补偿器等。相对于旋转机械的同步调相机而言，后三种可称为静止设备。　　a) 同步调相机实际上是一台空载运行的同步电动机，在过励磁时可发出无功功率，欠励磁时可以吸收无功功率，调节均匀简单，其自动励磁调节装置能使同步调相机在端电压波动时自动调节无功功率，维持电压及系统的稳定，适用于大型变电站所进行集中补偿，其缺点是投资大，功率损耗大，动态响应的时间也较长，因为是旋转设备运行维护工作量也较大。总体上来说，这种补偿手段已显陈旧，已有逐渐被取代的趋势。　　b) 电力电容器能够补偿负荷感性无功以提高功率因数，故又称为移相电容器，它常并接于6.3、10.5或35KV母线上，故又称为并联电容器，在电力系统常用的无功功率补偿设备中并联电容器的费用*低，有功功率损耗*小，运行维护*简便，可集中安装，也可分散安装在用户处或近负荷中心的地点，实现无功的就地补偿，因此应用广泛。它的主要缺点是电压调节效应差，并且不能像同步调相机那样连续调节无功功率和吸收滞后的无功功率，在系统中含有谐波时还有可能与系统发生并联谐振，使谐波放大。　　在实际应用领域并联电容器补偿装置按电压等级可分为低压补偿装置和高压补偿装置，按投切方式可分为自动投切补偿装置和手动投切补偿装置，按响应速度可分为动态补偿装置和静态补偿装置，按补偿方式还可分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。　　c) 并联电抗器并接于系统输电线路上，用于吸收高压电力网过剩的无功功率和远距离输电线路的参数补偿。含有超高压架空线路和高压电缆的电力网中，轻负荷运行时各线路分布电容产生的无功功率大于线路电抗中消耗的无功功率，因此会出现无功功率过剩现象，利用并联电抗器可以就近吸收线路的无功功率，防止电力网电压过高。　　d) 静止补偿装置是近年来随着大功率可控型电力电子开关的发展而发展起来的，是柔性交流输电系统的重要组成部分。静止无功补偿装置(SVC)，广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量应用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器+固定电容器(TCR+FC)，静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角实现的。另外一种常见的SVC形式是晶闸管投切电容器(TSC)，但它只能分组投切，不能连续调节，只有和TCR配合使用才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。SVC的调节连续且响应迅速，因此可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，是目前同步调相机的主要替代方案。比SVC更先进的现代补偿装置是静止无功发生器(SVG)，它也是一种电力电子装置，其*基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制可使其发出无功功率也可吸收无功功率，采用PWM控制，可使其输入电流接近正弦波。　　(2)谐波治理装置的类型和特点　　解决电力系统的谐波污染问题主要有两点解决思路，一是抑制谐波的产生，对电力电子装置进行改造使其不产生谐波，这是从根本上解决谐波问题的途径，但也只适用于作为主要谐波源的电力电子装置;另一条就是装设谐波治理装置滤除谐波。这是目前普遍可行也应用广泛解决方法。　　装设谐波治理装置*传统的方法就是采用LC无源调谐滤波器，其原理是利用滤波电抗器(L)和滤波电容器(C)和滤波电阻器(R)组成调谐支路，给特征谐波形成公用电网之外的低阻抗通路，使流入公用电网的谐波满足相应要求，这种方法治理谐波简单可靠，滤除谐波的同时还能补偿基波无功功率，结构简单，综合计算起来投资少、维护简便，是目前应用*广泛的谐波治理装置。这种方法主要的缺点是治理效果受电网运行方式和阻抗影响较大，参数设置不正确易与系统发生并联谐振，导致谐波放大甚至滤波器过载烧毁。　　谐波治理装置的另一个发展趋势是有源电力滤波器(APF)，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是先从需治理的线路中检测出谐波电流，然后由滤波器产生一个与检测的谐波电流大小相等极性相反的电流与线路中的谐波电流叠加，从而使电网电流只含基波分量。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：　　a)不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理; 　　b) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险; 　　c) 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。　　有源滤波器这种优异的治理效果，目前已得到广泛的重视，但因其成本偏高，应用范围受到一定限制，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到广泛应用。　　为了综合无源滤波器的低成本和有源滤波器优异的滤波性能，混合型滤波器应运而生，该型滤波器通过无源滤波器进行无功功率补偿并滤除特征谐波的主要部分，其余谐波通过有源滤波器滤除，能同时实现大容量无功补偿和谐波治理的要求，并同时降低投资成本，混合型滤波器是谐波含量较大且成分复杂工况的有效解决方案。　　三、我所在该领域的研究方向和进展　　我所谐波治理装置的研究正式起步于2002年，借助于直流换流站、高功耗业主、各地中试所等合作单位，获得了大量试验数据和工程经验，开发了FC中高压电力系统补偿滤波装置，该型滤波装置结构简单、运行稳定，可靠性高，维护简便，在电解铝行业获得了较多应用，在工业制碱、工频炉炼钢系统也得到一定应用，取得了大量现场资料，目前目前已签订合同达到1600万元，用户一致反映运行稳定，治理效果满足相关要求。　　在FC中高压补偿滤波装置研制成功后，我所在FC装置的技术基础上，2007年初分了两个科研组，其中一组研制SVC静止补偿滤波装置，该型装置采用全数字化控制，动态响应快、控制精度高;阀体设计采用卧式晶闸管阀组，设备紧凑，运行可靠，维护工作量少;采用光电触发方式，系统抗干扰能力强，保护可靠;采用纯水冷却系统，冷却效率高，运行可靠。在包括冶金用电弧炉、大型轧机、电气化铁道等谐波电流大且无功功率变化频繁供电系统中得到良好的应用，另外它还应用于高压、超高压交流输电系统中，调节系统无功潮流，改善系统的动态稳定性。　　另一组研制开发TSF智能型无功补偿滤波装置，该型产品在无源滤波器的基础上采用先进的大功率晶闸管过零投切技术，实现电容器组投切无涌流、无冲击;采用智能监控终端，将动态无功补偿滤波成套装置与配电自动化系统有机结合起来，实现瞬时投切，投切响应时间可控制到20ms，主要应用于含有一定量的谐波电流，虽超标但幅值不是很大，而无功功率变化频繁的低压供电系统。　　我所在补偿滤波系统共将开发完成三系列产品，分别是FC中高压电力系统补偿滤波装置、SVC静止补偿装置和TSF智能型补偿滤波装置，三个项目合称为《电力系统谐波治理装置》， 2004年度被科技部列为国家级火炬计划。　　四、技术难题与创新点　　FC型中高压补偿滤波装置，主要难点在建立符合各种现场工况的电力系统数学模型，无源滤波器原理结构相对简单，但对系统参数和应用场合极为敏感，设备的参数选择和治理效果需和现场工况紧密结合，模型结构和参数稍有偏差或缺少了必要的约束条件和边界，工程应用中就会出现很大的风险。我所根据多年高压设备的设计经验和技术人员的现场经验，并和国内重点高校专家、合作厂家的专家多次研讨，结合引进的分析软件，建立多个模型，大胆假设，反复求证，*终建立了一套满足多种工况的数学模型，在后期的工程应用中，经现场实际运行表明该模型结构合理参数选配适当，随着实际运行经验的积累不断的完善，该模型极大的提高了设计效率，并为SVC和TSF的研制奠定了基础。　　在FC研制成功后我所又开始了SVC和TSF的研究，与FC相比，后者的研究涉及的技术领域更广，遇到的难题主要包括：信号的采样技术，检测技术，数据的分析计算理论、晶闸管的相控技术和冷却技术等，根据研发进度的需求和我所自身的优势，我们相继和国内多所高校和单位合作，并对部分辅助部件和市场已有成熟技术的辅件采取分包和长期合作的模式，主要的技术自主研发，目前正在进行中。　　五、未来五年的发展　　作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高，单机装置的容量也逐步提高，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。我国有源电力滤波技术的工业应用与国外尚有差距，天津水利电力机电所秉承保持技术先进的理念，为满足谐波工况复杂的高端市场需求，已经展开了混合型滤波器的研究，包含有源滤波器的混合型滤波器在国内属行业的尖端，技术难度和实际应用开发都面临前所未有的困难，我所在前期无源滤波器的研制和设备运行中，积累了大量的研发和实际运行经验，此次将通过与国内重点高校合作，实现强强联合，优势互补，将极大的缩短开发周期，紧紧掌握市场的节奏，为我国电力事业的进步做出自己的贡献。

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