實(shí)際應(yīng)用中的諧波改善和無(wú)功補(bǔ)償

1. 概述
        公共電網(wǎng)和工業(yè)電網(wǎng)中的諧波量逐漸增加是全世界共同的趨勢(shì)，很明顯地，這和工業(yè)應(yīng)用及商用建筑大樓中大量使用非線性負(fù)載和設(shè)備有著直接的關(guān)系。這些非線性設(shè)備通常為晶閘管或二級(jí)管整流器，它們將導(dǎo)致電網(wǎng)中的電力品質(zhì)下降，?？沙霈F(xiàn)在下列行業(yè)應(yīng)用實(shí)例中。
* 變速驅(qū)動(dòng)裝置(VSD)，用于:
- 制造業(yè)和加工業(yè)
- 冶金工業(yè)中的感應(yīng)加熱
- 商業(yè)建筑中的電梯、空調(diào)泵、風(fēng)機(jī)
* 商業(yè)和工業(yè)建筑樓房中的計(jì)算機(jī)及其它重要負(fù)載所用的不間斷電源(UPS)

2. 諧波的影響
2.1 變壓器
        對(duì)變壓器而言，諧波電流可導(dǎo)致銅損和雜散損增加，諧波電壓則會(huì)增加鐵損。與純正基本波運(yùn)行的正弦電流和電壓相較，諧波對(duì)變壓器的整體影響是溫升較高。須注意的是; 這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降。而當(dāng)你為非線性負(fù)載選擇正確的變壓器額定容量時(shí)，應(yīng)考慮足夠的降載因子，以確保變壓器溫升在允許的范圍內(nèi)。還應(yīng)注意的是用戶由于諧波所造成的額外損失將按所消耗的能量(仟瓦一小時(shí))反應(yīng)在電費(fèi)上，而且諧波也會(huì)導(dǎo)致變壓器噪聲增加。
2.2 電力電纜
        在導(dǎo)體中非正弦波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相較，則非正弦波會(huì)有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的，而這兩種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸和間隔。這兩種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致I2Rac損耗增加。
2.3 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)
        諧波電流和電壓對(duì)感應(yīng)及同步電動(dòng)機(jī)所造成的主要效應(yīng)為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，并影響轉(zhuǎn)矩。當(dāng)設(shè)備負(fù)荷對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)較敏感時(shí)，其扭動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出將影響所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。例如: 人造纖維紡織業(yè)和一些金屬加工業(yè)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備，與正弦磁化相比，諧波會(huì)增加噪音量。像五次和七次這種諧波源，在發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)上，可產(chǎn)生六次諧波頻率的機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是由振動(dòng)的扭矩引起的，而扭矩的振動(dòng)則是由諧波電流和基波頻率磁場(chǎng)所造成，如果機(jī)械諧振頻率與電氣勵(lì)磁頻率重合，會(huì)發(fā)生共振進(jìn)而產(chǎn)生很高的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)械損壞的危險(xiǎn)。

2.4 電子設(shè)備
        電力電子設(shè)備對(duì)供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)備常常須靠電壓波形的過(guò)零點(diǎn)或其它電壓波形取得同步運(yùn)行。電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過(guò)零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)。這兩點(diǎn)對(duì)于不同類型的電力電子電路控制是至關(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)對(duì)這兩點(diǎn)(電壓過(guò)零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對(duì)通訊設(shè)備的干擾。計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，如可編過(guò)程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。
2.5 開關(guān)和繼電保護(hù)
        像其它設(shè)備一樣，諧波電流也會(huì)引起開關(guān)之額外溫升并使基波電流負(fù)載能力降低。溫升的提高對(duì)某些絕緣組件而言會(huì)降低其使用壽命。舊式低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置，系根據(jù)電流峰值來(lái)動(dòng)作，而此種型式之跳脫裝置會(huì)因饋線供電給非線性負(fù)載而導(dǎo)致不正常跳閘。新型跳脫裝置則根據(jù)電流的有效值(RMS)而動(dòng)作。保護(hù)繼電器對(duì)波形畸變之響應(yīng)很大程度取決于所采用的檢測(cè)方法。目前并沒有通用的準(zhǔn)則能用來(lái)描述諧波對(duì)各種繼電器的影響。然而，可以認(rèn)為目前在電網(wǎng)上一般的諧波畸變不會(huì)對(duì)繼電器運(yùn)行造成影響。
2.6 功率因數(shù)補(bǔ)償電容器
        電容器與其它設(shè)備相較有很大區(qū)別，電容器組之容抗隨頻率升高而降低，因此，電容器組起到吸收高次諧波電流的作用，這將導(dǎo)致電容器組溫升提高并增加絕緣材料的介質(zhì)應(yīng)力。頻繁地切換非線性電磁組件如變壓器會(huì)產(chǎn)生諧波電流，這些諧波電流將增加電容器的負(fù)擔(dān)。應(yīng)當(dāng)注意的是熔絲通常不是用來(lái)當(dāng)作電容器之過(guò)載保護(hù)。由諧波引起的發(fā)熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的縮短。在電力系統(tǒng)中使用電容器組時(shí)，因其容性特點(diǎn)在系統(tǒng)共振情況下可顯著的改變系統(tǒng)阻抗。必需考慮系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流會(huì)明顯地高于在無(wú)諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。
2.6.1 諧波與并聯(lián)諧振
        變速驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波電流，在經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。被放大之諧波電流流經(jīng)電容器可導(dǎo)致其內(nèi)部組件過(guò)熱。需注意的是，在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。
2.6.2諧波與串聯(lián)諧振
        在上一級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓如發(fā)生波形畸變的情況下，由電容器組之電容和供電變壓器之短路電感形成的串聯(lián)諧振回路會(huì)吸引高次諧波電流流入電容器，串聯(lián)諧振可導(dǎo)致在變壓器的低壓側(cè)出現(xiàn)高的波形畸變。
2.6.3建議
        不論何時(shí)，只要有非線性負(fù)載(直流驅(qū)動(dòng)器、換相器、UPS、及所有整流器)連接到母線上，而又打算在母線上連接電容器組，此時(shí)設(shè)計(jì)無(wú)功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，一定要倍加小心。為避免在連接電容器組之系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，應(yīng)采用濾波或調(diào)諧式電容器組。
        在那些電管部門對(duì)諧波量有限制的地方，通常安裝濾波電容器組是必須的，以滿足例如IEEE標(biāo)準(zhǔn)519-1992或Engineering Recommendation G5/3上標(biāo)明之要求。典型的濾波電容器組設(shè)置五次、七次、十一次諧波等3個(gè)濾波分支路。濾波分支路的數(shù)量取決于要吸收的諧波量和需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量。在某些情況下，甚至一個(gè)濾波分支路就可滿足電壓畸變之限制和目標(biāo)功率因數(shù)。為了設(shè)計(jì)濾波電容器組，應(yīng)對(duì)會(huì)產(chǎn)生諧波的負(fù)載進(jìn)行調(diào)查及整合，對(duì)既設(shè)工廠而言進(jìn)行實(shí)地諧波測(cè)量是最理想的方式。
        根據(jù)IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)，單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。例如，某些母線在不加電容器的情況下由非線性負(fù)載所引起之單次諧波電壓畸變，測(cè)量值低于3%，那么就可以將任何電氣設(shè)備連接到此母線上而無(wú)須顧忌。然而，請(qǐng)注意，不論什么時(shí)候，只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上，就會(huì)出  現(xiàn)特定的并聯(lián)和串聯(lián)諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合，諧波電流和諧波電壓就會(huì)被明顯放大。
        在沒有諧波量限制的地方，可以使用調(diào)諧式電容器組。但是請(qǐng)記住，在此種情況下，諧波的主要成份都注入到上級(jí)電網(wǎng)。調(diào)諧式電容器組的典型范例，所需之段數(shù)則取決于負(fù)載功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)。設(shè)計(jì)調(diào)諧式電容器組時(shí)，通常須給出電壓畸變限制值。給出的低電壓典型值舉例如下:U3rd=0.5% ; U5th=5% ; U7th=5%。典型的調(diào)諧頻率是204Hz和189Hz，分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對(duì)應(yīng)。與使用6%的電抗器相比，7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負(fù)載。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電抗器鐵芯的線性度，使其涌流時(shí)以及在額定電壓畸變情況下不會(huì)出現(xiàn)飽和狀態(tài)。
        當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)功電力補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，假如設(shè)計(jì)一個(gè)新商業(yè)大樓，如果不知道大樓將有什么樣的負(fù)載，通常較合理的作法是采用額定電壓高于系統(tǒng)電壓 (例如在400V系統(tǒng)采用525V電容器) 的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來(lái)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波時(shí)，僅須增設(shè)電抗器而不須更換電容器組。無(wú)論何時(shí)，只要懷疑電容器組周圍溫度可能會(huì)超出其允許的最高溫度上限值時(shí)，則建議在電容器配電盤內(nèi)加設(shè)冷卻風(fēng)扇。還要提請(qǐng)注意的是在采用調(diào)諧式或?yàn)V波電抗器的地方，一定要使用強(qiáng)迫冷卻方式，因?yàn)榕c電容器組相比，電抗器會(huì)產(chǎn)生更大的熱量。

3. 電力系統(tǒng)諧波諧振案例和解決方法
3.1 案例1
        在一個(gè)相當(dāng)大的辦公大樓內(nèi)，發(fā)現(xiàn)許多電容器組因過(guò)熱而損壞，損壞的是連接在負(fù)責(zé)供電給計(jì)算機(jī)不間斷電源設(shè)備(UPS)變壓器之自動(dòng)功率因數(shù)控制電容器組上。
        為找出損壞的原因，對(duì)諧波進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)得的供電變壓器基波和諧波電流以及電壓的總諧波畸變率 (THD)。結(jié)果可知，當(dāng)兩段50KVAR投入后出現(xiàn)嚴(yán)重的并聯(lián)諧振，將30A的十一次諧波電流(由UPS產(chǎn)生的)放大到183A(相當(dāng)于大約10倍的放大系數(shù))，同時(shí)電壓的THD值也增加到19.6%。 當(dāng)2段50KVAR電容器組投入，電容器上電流的有效值(RMS)是364A，相當(dāng)于2.5倍的額定電流流經(jīng)電容器，這足以說(shuō)明電容器損壞的原因。根據(jù)IEC831-1 (低壓電容器標(biāo)準(zhǔn))，電容器的容許電流是額定電流的1.3倍。
        因?yàn)閺闹C波測(cè)量結(jié)果中可確認(rèn)在供電系統(tǒng)中存有諧振現(xiàn)象，因此重新設(shè)計(jì)了無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，并決定使用帶7%電抗器的調(diào)諧式電容器組。請(qǐng)注意，裝上調(diào)諧電容器組后，無(wú)論投入幾段皆可避免諧振，而且也不會(huì)放大任何諧波電流，為了驗(yàn)證此新設(shè)計(jì)，在最大非線性負(fù)載下對(duì)調(diào)諧電容器組進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明諧波電流如期望般并無(wú)放大現(xiàn)象。
3.2 案例2
        單線系統(tǒng)圖是從一個(gè)塑模公司的供電系統(tǒng)中取出的，這個(gè)固定式的150KVAR電容器組經(jīng)常故障。為了找出頻繁故障的原因，進(jìn)行了實(shí)地諧波測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。測(cè)量得<