无功补偿与谐波治理新技术

减小谐波影响应优先对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施，主要措施如表4-1

所列。实际措施的选择要根据谐波达标水平，措施的效果，经济性和技术成熟程度等综合比较后确定。 表4—1 减小谐波影响的技术措施 序号 名 称 内 容 评 价 改造换流装置或利用相互①可有效地减小谐波量 增加换流装置l 的脉动数(相数) 有一定移相角的换流变压器 ③使装置复杂化 间 ②换流装置容量应相等 在谐波源附近安装若干单①可有效地减小谐波量 调 加装交流 2 滤波装置 ②应同时考虑功率因数补偿和电谐及高通滤波支路，以吸压调整效应 收谐 ③装置运行维护简单，但需专门波电流 具有谐波互补性的装置应改变谐波源的3 配置或工作方式 集 ①可以减小谐波的影响 设计 中，否则应适当分散或交②对装置的配置和工作方式有错使用，适当限制谐波量一定的要求 大的工作方式 在用户进线处加串联电抗 ①可减小和系统的谐波相互影响 ②应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应 ③运行维护简单，但应专门设计 4 加装串联电抗器，以增大和系统的电气器 距 离，减小谐波的相互影响 改善三相不平 从电源电压、线路阻抗、 ①可以有效地减小3次谐波的衡度 5 负荷特性等找出三相不平产生 衡原因。加以消除 ②有利于设备的正常用电，减小损耗 ③有时需要用平衡装置 加装静止无功 采用TCR、TCT或SR型 ①可以有效地减小波动谐波源补偿装置(或称静补装置时其容性部分设的谐波量 动 6 态无功补偿装置) 计成滤波器 ②有抑制电压波动、闪变、三相不对称和补偿功率因数的功能，具有综合的技术经济效益 ③一次投资较大，需专门设计 增加系统承受 将谐波源由较大容量的供 ①可以减小谐波的影响 谐波能力 7 点或由高一级电压的电网供电 避免电力电容 改变电容器组的串联电抗 ①可以有效地减小电容器组对器组对谐波的器。或将电容器组的某些谐波的放大并保证电容器组安8 放大 支路改为滤波器，或限定全运行 电容器组的投入容量 ②需专门设计 提高设备或装 改进设备或装置性能，对 ①适用于对谐波(特别是暂态置抗谐波干扰谐 能力，改善谐9 波保护性能 波敏感设备或装置采用灵敏的 谐波保护装置 ②需专门研究 过程中谐波)较敏感的设备或装置 电 ②在规划和设计阶段考虑 采用有源滤波 研制和逐步推广应用 10 器等新型抑制谐波的措施 4.1 常规的并联无功补偿装置

目前还只用于小容量谐波源的补偿，且造价较高 常规的并联无功补偿装置，即并联电容器组补偿方式，这是传统的补偿方式，适用于低压配电系统，也适用于中高压系统。 主要特点是：简单，占地少，造价低廉。

主要作用是：补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；提高电压。达到节能降损的目的。

主要缺点是：对有谐波存在的系统中，电容器因为谐波过载、谐振等原因，造成电容器组不能正常投运或烧损。如果保户配置不当，还会引起事故扩大。 4.2 无功补偿兼滤波方式

这种补偿方式仍然是以无功补偿为主，针对系统中主导谐波的次数，串联一个固定参数的电抗器。用以限制涌流，并滤除一部分的某次主导谐波。如：对于系统中，3次谐波较大时，串联12%的电抗器；5次谐波较大时，串联4.5%的电抗器；等等。 主要特点是：简单，造价低廉。

主要作用是：补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；同时避免了由于系统谐波较大造成电容器不能正常投运的情况；提高电压。达到节能降损的目的。

主要缺点是：对于系统中谐波含量较大，且谐波次数较多，既谐波频谱丰富的情况，仍然回造成电容器组的谐波过载、谐振等原因，造成电容器组不能正常投运或烧损。 4.3滤波器组方式（FC）

由电力电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合成若干滤波器支路的“无源型”交流滤波装置。该装置和谐波源并联运行。

这种方式以滤波和无功补偿兼顾的方式，以滤波为主。可以滤除由于用电设备在生产过程中产生谐波污染，保证公共母线和电网电能质量；同时实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；达到节能降损的目的。 主要特点是：滤波和无功补偿效果好，占地较多，造价较高。

主要作用是：滤除谐波电流，降低谐波污染造成的各种影响，提高供电电能质量。补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；提高电压。达到节能降损的目的。

主要缺点是： 设备造价较高，占地较多；运行中各滤波支路的投运和切除要有一定的顺序，对于功率变化速度较快的负荷，不能快速跟踪。 4.4 常规电容器加滤波器组方式（FC+C）

这种方式以一组或数组常规电容器组和一套滤波器组组合而成，以滤波和无功补偿兼顾的方式。这种方式适用于电网中有谐波需要治理，但滤波支路容量相对较小，但无功补偿需要的容量相对较大的情况。既可以滤除由于用电设备在生产过程中产生谐波污染，保证公共母线和电网电能质量；同时又实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；达到节能降损的目的。

主要特点是：滤波和无功补偿效果好，占地较多，造价相对低廉。

主要作用是：滤除谐波电流，降低谐波污染造成的各种影响，提高供电电能质量。补偿设备或电网中的无功，对中、低压用电设备可实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；提高电压。达到节能降损的目的。

主要缺点是：设备造价较高，占地较多；运行中各滤波支路的投运和切除要有一定的顺序，对于功率变化速度较快的负荷，不能快速跟踪。

注意的问题：在设备定货时，要对可能出现的各种工况仿真计算，避免造成参数的不匹配产生系统谐振。

4.5 静止型动态无功补偿装置SVC

快速变化的谐波源(如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等)除了产生谐波外，往往还引起供电电压的波动和闪变，有的(如电气化铁道的机车，处于熔化期的电弧炉等)还造成系统电压三相不平衡，严重地影响电能质量。抑制快速变化谐波较全面的技术措施就是在谐波源处并联装设静补装置(又称动态无功补偿装置)。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成(两者均变或其中一个元件可变)。

须指出，静补装置除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电力系统中已成为控制无功、电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻尼的重要技术措施。静补的应用还可以给谐波源用户带来多方面的技术经济效益。例如炼钢电弧炉采用静补装置后还可以提高功率因数，降低损耗，缩短熔炼时间，降低单位电耗，提高钢产量等等。 静补装置的一次性投资较大，在确定工程方案时应经过充分的技术经济论证。 4.6 组合型动态无功补偿装置（SVC+C）

这种方式是由SVC和普通并联补偿电容器组组合而成，具有快速动态补偿无功的特点，又可实现节省投资的目的。

主要特点是：可快速调节无功，提高系统电压，提高功率因数。 缺点：对系统存在较大谐波污染的情况不适应。 4.7 滤波器型动态无功补偿装置SVC（TCR+FC）

基本结构是由快速可变的电抗，和滤波支路组合而成。 主要特点是：可快速调节无功，滤除谐波，改善电压质量。 缺点：投资较高 4.8 有源滤波器APF

有源滤波器的产品化和低造价。消除谐波影响的常规装置是L-C滤波器，近年来，已开发出以大功率电力电子元件为基础的有源电力滤波器，用来解决谐波问题。有源电力滤波器APF的基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与谐波源相反的谐波，从而有效地消除其影响。其结构与DSTATCOM类似，但主要是作为一个电流谐波源，用来解决电流谐波的问题。

主要特点是：同一滤波器适用不同的非线性负载；具有动态谐波补偿功能，响应时间约几毫秒；接入系统后不会改变系统阻抗特性；不会引起补偿矛盾即补偿谐波与无功的矛盾。 主要缺点是：价格昂贵。

4.9 混合滤波器（L、C滤波与有源滤波组合） 结合了无源滤波和有源滤波的优点，性能好价格较低. 4.10动态电压恢复器（DVR）

动态电压恢复器（DVR），既能消除电压跌落，对闪变和谐波有拟制作用。

它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，是DFACTS家族中的重要成员之一。该装置能在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。它主要由储能单元、DC/AC逆变器模块、连接变压器等部分组成。决定DVR成本的是补偿电压的最大值和负荷电流，而该值可根据用户电压跌落统计数据确定；逆变器模块一般采用由IGBT构成三相全桥结构，采用PWM调制方式，这种结构控制灵活，便于分相补偿。目前DVR的最大容量已达8MVA，在消除电压跌落、提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果。

4.11 新型动态无功补偿器STATCOM

静止无功发生装置（STATCOM）同时具有两方面的优点：与传统的无功补偿装置比，它的响应时间要小到一、二个周波；与SVC比，SVC是阻抗型，发出的无功电流随接入电压成比例地下降，而STATCOM是恒流型，发出的无功电流与外接电压无关。

我国是世界上掌握STATCOM自主知识产权的4个国家之一（日本，美国，德国和中国）。国际上在20世纪80年代才研究该项技术，据了解目前投运在电力系统的有十余台（见表4-5），超过50Mvar的有6台，最大容量达100Mvar。

在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流。对于提供某一稳态负载的无功支持，STATCOM可以比SVC容量小20%—30%

STATCOM有更快的动态响应速度，响应小于20ms；在抑制系统的功率振荡和提高系统稳定性方面，STATCOM有最好的效果

STATCOM装置成本取决于功率半导体器件。随着器件性能的提高及成本的下降，STATCOM优势将越来越明显。采用与FC或TSC的混合方式也可大幅降低成本 3、 工程实例 5.1 邢钢高线谐波治理

邢台局石门站、康庄站和柏乡站110kV母线谐波含量严重超标。该局谐波监测站监测到石门、柏乡、康庄和羊范220kV变电站的110kV母线谐波含量呈逐增趋势,尤其是石门站110kV母线电压总畸变率严重超标,高达6.4％,超出国标允许值3.2倍。严重地威胁、着石门、召马、周公村和中华等站的安全可靠运行。造成石门站110kV母线电能质量不合格原因是邢钢高线负荷；经邢钢对其一、二高线谐波负荷进行滤波治理，在邢钢滤波器组投运时，石门站110kV母线电压总畸变率大大下降，其谐波电压畸变率指标在国标限值以内。 邢钢三高线滤波补偿方案：

根据用户提供数据，高线直流负荷自然功率因数较低，仅为0.76左右。同时由于大量谐波的存在，使得电力系统正常的正弦波形发生严重畸变，电能质量降低，给电气设备和电网的正常运行带来很大危害。因此，必须设计成滤波器兼功率因数补偿装置。这样一方面可以将大量的谐波成分滤掉，另一方面还可以补偿功率因数，降低线损，节约电能。否则，普通无功补偿装置将可能会产生谐波放大，电容器无法正常投入！

根据谐波电流注入供电系统的超标情况，轧机整流负荷的特征谐波次数，滤波器采用加装5次、7次两组单调谐滤波器和一组11次高通滤波器。 1、无滤波器时

(1)当轧机生产时，将有大量的高次谐波电流注入系统，其中以5、7、11、13次谐波电流较大，5次谐波电流超标123.8%,11次谐波电流超标227.8%,13次谐波电流超标129.1%；邢钢三高线系统110kV母线电压总畸变率为2.3%（国标限值为2%），6kV母线电压总畸变率为12.8%（国标限值为4%），大大超过国家标准限值要求，从而引起系统电能质量降低，供电系统将受到严重干扰。

(2)由于高线整流负荷本身自然功率因数较低，正常生产时，6kV母线功率因数仅为0.762左右，不足0.9，邢钢三高线将遭受低功率因数罚款。 2、加滤波器后

(1)当轧机生产时，注入系统的各次谐波电流都在标准的限定值以内，各次谐波电流基本消除，110kV母线电压总畸变率降为0.51%，6kV母线电压总畸变率降为1.55%，电能质量得到极大的改善；同时还可改善厂内供电环境，使所有用电设备均能正常运行。

(2)6kV母线的功率因数提高到0.95以上，满足了用户的要求。这将一方面降低配电系统的损耗；另一方面，功率因数提高后还可以避免低功率因数罚款。

(3)滤波器组投入后，在任何状态运行时，滤波器和系统均不会发生谐振。