低压无源滤波无功补偿技术.ppt

低压无源滤波无功补偿技术系列培训之低压无源滤波无功补偿系统的简要介绍,主讲人赵国强,一、前言,谐波、电压瞬间跌落、闪变是目前电能质量的三问题，而“谐波污染”目前已经成为电网内三大公害之首，公用电网谐波是电能质量的一项重要指标，它反映了电力系统中谐波污染的程度，直接影响到电网和用户电气设备的正常安全运行。接入电网的各种整流设备和其他谐波源设备所产生的谐波电流注入电网，使得供电电压正弦波形产生畸变，电能质量下降的主要原因。谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素。,电网中主要的谐波源可分为两大类：一是含有半导体非线性元件的设备，如各类整流设备、交直流换流设备、变流器、逆变器、变频器、晶闸管控制器等；二是含有电弧和铁磁非线性元件的设备，如电弧炉、电焊机、荧光灯、铁磁谐振等设备。产生电力谐波的行业和主要的非线性设备有：1、钢铁、冶金行业-电弧炉、精炼炉、直流炉、轧机、中频炉、高频炉、各种电力电子设备；2、机械、石油、化工、轻工行业-轧制机械、变频调速装置、电解槽、整流器、换流设备、电焊机、感应加热炉；3、铁道、矿山、水厂行业-牵引机车、升降机、调速拖动装置、变频调速装置、直流充电机、消磁机、变频驱动装置。4、车站、机场、码头、电信、广播行业-照明调光设备、直流电源、不间断电源、交直流逆变器、射频发射机、通信交换机、变频电源。5、商业建筑和居民区-照明调光设备、直流电源、不间断电源、变频电源、家用电器。,二、无源滤波与并联电容无功补偿在原理上区别,1、低压无功补偿的传统模式主要有三种型式：装于低压电动机的单台电容就地补偿柜；装于配电变压器低压侧的并联电容集中补偿柜；装于企业配电房或车间以及高层建筑楼层配电间的自动补偿柜（如PGJ柜等）。,2、低压并联电容无功补偿的原理，与其无功补偿的局限性把具有容性负荷的装置与感性负荷并联接在同一电路,当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量;而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换，这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大得多可发出无功功率，对电网进行无功补偿。补偿无功功率，提高电能质量，降低损耗，同时提供配电运行数据。并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。,并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性，在具有谐波背景的系统中，大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增加，而补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的1.3倍时，电容器将会因过流而产生故障。另外，在接有谐波源负载的电网上直接连接电容器，会出现多方面的干扰问题，因为电容器容抗和电网阻抗形成一个并联谐振回路，在谐振频率下其阻抗达到很高的数值，如果谐波电流频率与并联谐振频率相同或接近，则导致产生很高的电压降，电网和电容器支路流过很大的谐波电流，其数值甚至达到原有谐波电流的数十倍，这种现象称为谐波放大。如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流，从而大量的破坏电容器。,无源滤波的原理与低压并联电容无功补偿的区别,如图1所示，使用电抗器与电容器串联，组成一个LC串联谐振电路，把该电路并联在电网中，即构成一个最基本的无源滤波回路。,在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”，在谐振频率以下滤波回路呈容，因此，滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时输出容性基波无功功率以补偿用电回路中的感性无功功率。这就是无源滤波补偿技术区别于以往的低压并联电容无功补偿技术的根本原因。,三、低压并联电容补偿面临的突出问题,1、传统的低压并联电容无功补偿设备的使用现状：1、采集单一信号，采用三相电容器，三相共补 传统的低压无功补偿方式适用于负荷主要是三相负载（电动机）的场合，但如果当前的负载主要为居民用户，三相负荷很可能不平衡。那么各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。、投切开关多采用交流接触器 其缺点是响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。、无功控制策略 控制的物理量多为电压、功率因数、无功电流，投切方式为：循环投切、编码投切。这种策略没有考虑电压的平衡关系与区域的无功优化。、通常不具备配电监测功能,2、低压补偿柜的技术改进和新技术应用，归纳起来主要有以下几方面：、由三相共补到分相补偿，以求达到更理想的补偿效果；、由单一的无功补偿到同时具有抑制谐波功能的补偿装置；、从采用交流接触器进行投切，到选用晶闸管开关电路投切，以及发展为等电压、零电流投切的最佳投切模式；,3、原因 补偿设备的故障主要表现为电容器因过载失效，严重的甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故。出现上述状况的原因，主要是近几年低压电网受到谐波污染的现象越来越普遍、越来越严重，如表1所示 由于大多数用户及设备制造厂没有针对这种变化采取措施，在设计及元器件选取方面仍采用以前的技术方案，使得低压无功补偿设备的可靠性和安全性大大降低。表1所示：,低压并联电容无功补偿装置通常用接触器或者晶闸管控制电容器组投切来实现，但是由于它是依靠并联电容器组来提供无功功率，因而存在如下缺点：、响应时间长，通常要几百个毫秒，不能动态补偿无功。、补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平。、由于向电网并联了电容，在有谐波背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，电网和电容器支路流过很大的谐波电流，甚至引起该谐波将直接被放大严重时还会发生并联谐振或串联谐振，从而大量的破坏电容器。、只能分级补偿固定的无功功率(其补偿精度决定于电容器组中单台电容器的电容量),而不能实现连续、线性的补偿，不能连续调节和吸收滞后（感性）的无功功率，补偿量衰减快，补偿无功容量和系统所需无功有一定的差别，功率因数不能提的很高，欠补和过补时常发生。,无功补偿，串联电抗率选择的一般原则为：、电容器装置接入处的背景谐波为3次当接入电网处的背景谐波为3次及以上时，一般为12%；也可采用4.5%6%与12%两种电抗率。设计规范说的较含糊，实际较难执行。笔者认为，上述情况应区别对待：3次谐波含量较小，可选择0.1%1%的串联电抗器，但应验算电容器装置投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12%或12%与4.5%6%的串联电抗器混合装设。、电容器装置接入处的背景谐波为3次、5次 3次谐波含量很小，5次谐波含量较大（包括已经超过或接近国标限值），选择4.5%6%的串联电抗器，忌用0.1%1%的串联电抗器。3次谐波含量略大，5次谐波含量较小，选择0.1%1%的串联电抗器，但应验算电容器装置投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12%或12%与4.5%6%的串联电抗器混合装设。、电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上 5次谐波含量较小，应选择4.5%6%的串联电抗器。5次谐波含量较大，应选择4.5%的串联电抗器。、对于采用0.1%1%的串联电抗器，要防止对5次、7次谐波的严重放大或谐振；对于采用4.5%6%的串联电抗器，要防止对3次谐波的严重放大或谐振。,但其明显的缺点是：1、滤波电抗器和并联补偿电容器的选配不合适时，容易引发谐振，放大谐波，损坏电容器，降低了补偿回路的可靠性；2、接入串联滤波电抗器后，会提高低压并联电容器的运行电压，不但容易加大了功率损耗，而且易造成电容器过电压；3、由于其无功补偿回路里，电容器普遍采用的三角形连接方式，即使串联滤波电抗器，但由于其电容和电抗未能组成对各个高次谐波形成滤波的低阻抗的谐振吸收回路，所以，这种谐振频率在电网最低次谐波频率以下，在对谐波源的抑制方式上，只有采取以抑制主要的一个谐波源为主，兼有抑制其它高次谐波为目的，其最多也只是压制一部分谐波的峰值，而没有有效滤除各次谐波的作用，这种电容器串联电抗的回路称为失谐滤波回路，主要用于防止谐振，保护电容器，同时吸收少部分的谐波电流，即使其配置的比较合适，滤除各次谐波的效果也未必很理想。,三、谐波的抑制和治理,1、谐波对电力系统的影响 谐波对电力系统的影响可以归纳为以下几方面：1）电容器、变压器、电动机的发热和故障；2）保护系统和控制电路的误动作；3）测量仪表的不精确工作，如计量电费的电度表读数偏差；4）损坏电子设备；5）缩短白炽灯寿命。其中谐波导致电容器失效，使无功补偿设备瘫痪是最为常见的。因此在存在谐波的情况下，设计无功补偿装置时必须采取专门的抑制谐波措施。,谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器（1）、无源滤波装置：主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。（2）、有源电力滤波器：这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。,2、谐波的治理主要市场分析 相比较于无源滤波，有源滤波器的价格十分昂贵，目前还难以普遍推广，有源滤波器自身会消耗3%的系统能量，作为高频开关设备，其长期运行的维护成本也比较高。有源滤波器在工作频率附近会产生次数很高的谐波，其产生的高频补偿电流也会注入到已装的电容补偿柜、或者系统的其他敏感设备中，谐波短路可能造成某些设备工作不正常、或使用寿命的减少，在工业现场要增加其他的措施。对于大容量谐波负载的补偿，工业现场还是推荐使用高质量的无源滤波器。,1、无源滤波补偿装置的介绍a单调谐滤波器，最简单，应用最广泛。主要用于滤除单一频率的谐波。b双调谐滤波器，用于滤除两种频率的谐波。c2阶阻尼滤波器，又称高通滤波器。主要用于滤除某个频率以上的所有高次谐波。dC型滤波器，阻抗特性与高通滤波器相似，但是基波损耗小，主要用于低次谐波多的场合，如谐波源为电弧炉的用电系统。,无源滤波器的选配方法(1)、在一台配电变压器的低压侧，事先计算出无功功率最大变动范围，按最大无功负荷配置无源滤波器的总功率(基波补偿功率);(2)、估算出低压侧各次谐波的可能最大谐波电流;(3)、按各次谐波电流大小，确定电容器是否需要串联电抗器，这里的关键是如何区分选择？是否可以这样考虑:各次谐波电流乘上变压器的谐波阻抗得出的谐波电压超出标准值的80%或现在未超但不久即可能超过的，优先采用调谐滤波器;(4)、将无功功率也按各次谐波电流相对大小分配在各次的单调谐滤波器上，然后复核滤波器的谐波电流是否会过负荷，滤波后的谐波电压降低是否满意，总体上一般以无功不过补，谐波可放松些为原则。即使如此，还可能需要反复多次，有计算机程序可以快捷得到结果;(5)、运行中，如果无功负荷降低，根据情况应切除部分滤波器单元，利用智能控制器来完成控制任务。,目前应用的智能无功滤波补偿设备先进性：1、先进的补偿方式、固定补偿与动态补偿相结合、三相共补与分相补偿相结合、稳态补偿与快速跟踪补偿相结合 2、采用先进的投切开关 3、采用智能型无功控制策略 4、集成综合配电监测功能 5、集成电压监测功能 6、集成在线谐波监测功能 7、通信,四、根据实际情况，确定无功功率补偿方案,1、在有条件的情况下或必需时,要对拟补偿系统的电能质量进行测试,分析和评估。2、确定补偿装置是否需要配置谐波治理功能(抑制或吸收)，还是配置普通电容补偿。3、选取补偿装置需要采用何种控制类型 4、根据使用功能区分，采用何种补偿方式。5、各种补偿装置的性能及评价 6、无功补偿电容器的选取、并联电容器的选取、无源滤波补偿系统中，滤波电容器的选取,九、结论,电网中的谐波污染越来越严重，已经成为导致无功补偿设备故障的主要因素，在设计无功补偿设备或分析故障原因并制订解决方案时，必须进行谐波评估，制定滤波或抑制谐波的措施。基于谐波环境的无功补偿装置必须具备滤波功能。使用电容器和电抗器组成谐振电路，使谐波在谐波源和滤波回路之间流动，该电路同时具有滤波和无功补偿作用。设计具有滤波功能的补偿设备之前，必须现场测量谐波数据，或根据谐波源进行评估，根据数据或评估结论确定设计方案、元件参数。一般情况下，普通补偿元件的参数是不适用的。无源滤波技术是适应目前电网变化的最常用、最经济的解决方案。推广无源滤波技术可以从根本上提高低压电网的稳定性和可靠性，还可以提高电容器行业设计、制造水平，对售前的技术支持也提出了较高要求，满足这些要求将使无功补偿的整体技术水平得到实质性提升。,