实际应用中的谐波改善和无功补偿

1. 概述

现在全世界的电力和工业电网中谐波有逐渐增加的趋势，这与工业和商业建筑中大量使用非线性负荷设备息息相关，这些非线性设备通常是晶闸管或二极管整流设备，因此恶化了系统电能质量。以下是这些非线性设备在实际中的应用： ——在变速驱动装置中（VSD） ——用于制造业和加工业

——用于金属制加工业中的感应加热 ——商业建筑中的电梯、空调泵和风扇

——在工业和商业建筑中为计算机和其它重要设备供电的不间断电源（UPS） ——在计算机和其它办公设备中

图1是一个典型的6脉冲晶闸管整流的直流马达传动，图2是一个典型的6脉冲二极管整流的电压源型交流马达变频器传动。而不间断供电电源（UPS）中也可以看到类似的整流设备。

图 1

典型的6脉冲晶闸管整流的直流马达传动

图 2

典型的6脉冲二极管整流的交流马达变频器传动

图3. 用于开关电源的单相整流器

图3. 是用于开关电源的内附平滑电容的单相整流器，这种电源广泛应用于计算机、监视器和其它电子设备。

整流设备产生的谐波电流包含以下谐波次数或频率：

n=fn/ff=k·p±1 （1）

在公式中：

fn= 谐波电流频率 ff = 系统基波频率 n = 谐波次数 k = 1，2，3，…

p = 整流设备的脉冲数

如果整流设备连接到一个无限大系统的母线上，谐波电流可以按以下公式计算：

在公式中：

ln= n次谐波电流植

l1 = 整流器的基波电流植 n = 谐波次数

但是实际系统中谐波电流的值要比公式（2）计算的谐波电流值大得多。下一章就是针对不同的整流设备得到的实测谐波电流值。 2. 实际电力系统中的谐波电流

图4是直流马达整流器带负载运行情况下，测量到的交流侧基波和谐波电流。从图中可以看到，五次谐波电流值632A，为基波电流的28%。按公式（2）计算它的理论值应为20%

图4.重载运行时直流马达整流器的基波和谐波电流

图5.轻载运行时直流马达整流器的基波和谐波电流

图5是和图4是一样的直流马达整流器，但这次是更轻载运行。从图中可以很清楚的看到基波电流从2261A降到1255A。而谐波电流的百分含量却增加了。比如5次谐波电流值515A，是基波电流的41%。应该注意的是此时谐波电流绝对值比重载情况下更高。

图6.电压源型变频器的测量电流

如图6所示8组电压源型变频器联结到380V线路上。为了证明此类型变频器的谐波电流是算术增加，首先测量单一变频器回路，然后测量电源回路的谐波电流。可以看出和变频器数量相对应，电源回路5次谐波的电流是单一回路的8倍。

图7所示内附平滑电容的单相整流器的电流畸变图。此类电流的谐波含量很高。典型的谐波成分包括3次～80%，5次～60%，7次～45%和9次～35%。应该注意零序谐波电流在中性线叠加，可能达到比每相电流还要大的值。

图7.内附平滑电容的单相整流器的电流畸变图

3. 谐波对机电设备的影响 3.1 变压器

对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与纯基波运行的正弦波电流和电压比较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是：这些由谐波所引起的额外损耗将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因素，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量（仟瓦小时）反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加及使用寿命的缩短。 3.2 电力电缆

在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根的纯正弦波相比较，非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2RAC损耗增加。

3.3 电动机与发电机

谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应是在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。例如：人造纤维纺织业和一些金属加工业。

对于旋转电机设备，与正弦磁场相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振荡。机械振荡是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振荡则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生机械共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的风险。 3.4 电子设备

电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步而运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个线电压高于另一个线电压的位置点，这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点（电压过零点与电压位置点）的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。

计算机和一些其它电子设备，如可编程控制器（PLC），通常要求总谐波电压畸变率（VTHD）小于5%，且个别谐波电压畸变9率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致更大的经济损失。

3.5 开关和保护继电器

和其它设备一样，谐波电流也会引起开关的额外损耗，并提高温升使承载基波电流能力降低。温度的升高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。 旧式低压断路器的固态脱扣装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式的脱扣装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型脱扣装置则根据电流的有效值（RMS）而动作。 保护继电器对波形畸变的影响很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，可以认为目前在电网上一般的谐波畸变不会对继电器运行造成影响。 3.6 功率因数补偿电容器

电容器与其它设备相较有很大区别，因其容性特点在系统共振情况下可显著改变系统阻抗。电容器组的容抗随频率升高而降低，因此电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提供温升并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件如变压器会产生谐波电流，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是容丝通常是用来当作电容器的过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。

在电力系统中使用电容器组时，必须考虑的因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。 3.6.1 谐波与并联谐振

变速驱动器产生的谐波电流，在经由电容器组的电容和电网的电感形成并联谐振回路，可被放大到10－15倍。

被放大的谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。需注意的是：在相同电流值条件下高频谐波电流所造成的损耗要高于基波频率电流。图8为并联谐振电路的例子。

图8. 并联谐振电路及其等效电路

3.6.2谐波与串联谐振

在上一级电网系统电压如发生波形畸变的情况下，由电容器组的电容和供电变压器的短路电感形成的串联谐振回路会吸引高次谐波电流流入电容器，串联谐振可导致在变压器的低压侧出现高的波形畸变。图9为串联谐振电路的例子

图9串联谐振回路及其它等效电路

3.6.3建议

不论何时，只要有非线性负载（直流传动装置、变频器、UPS、所有整流器）连接到母线上，而又打算在母线上连接电容器组，此时设计无功功率补偿系统，一定要倍加小心。 为避免电容器组与系统产生并联或串联谐振，应采取滤波或调谐式电容器组。 在电管部门对谐波有限制的地方，通常安装滤波电容器组是必须的，以满足例如

GB/T14549、IEEE519-1992标准或Engineering Recommendation G5/3的要求。有关典型的设置五次、七次、十一次3个分支路滤波电容器组的例子，请参看图10。滤波分支路的数量取决于要吸收的谐波量和需要补偿的无功功率。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变限制和目标功率因数的要求。

为了设计滤波电容器组，应对会产生谐波的负载进行确定，对现有工厂而言进行实地谐波测量是需要的。

图10利用滤波电容器组的无功功率补偿

根据IEEE519-1992标准，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%。例如，某些母线在不加电容器的情况下由非线性负载所引起的单次谐波电压畸变，测量值低于3%，那么就可以将任何电气设备连接到此母线上而无须顾忌。然而，请注意，不论什么时候，只要把不带电抗器的电容器组连接到此母线上，就会出现一特定的并联和串联谐振频率。如果这一谐振频率与某些谐波频率重合，谐波电流和谐波电压就会被明显放大。

在没有谐波量限制的地方，可以使用调谐式电容器组。但是请记住，在此种情况下，谐

波的主要成份都注入到上级电网。调谐式电容器组的典型例子，如图11所示。所需的段数则取决于负载功率因数和目标功率因数。设计调谐式电容器组时，通常需给出电压畸变限制值。给出的低压母线典型值举例如下：U3rd=0.5%; U5th=5%; U7th=5%。 典型的调谐频率是204Hz和189Hz，分别与6%的电抗器和7%的电抗器相对应。与使用6%的电抗器相比，7%的电抗器通常允许连接更多的非线性负载。设计时要考虑电抗器铁芯的线性度，使其涌流时以及在额定电压畸变情况下不会出现饱和状态。

图11.利用调谐式电容器组的无功补偿

当设计无功电力补偿系统时，假如设计一个新商业大楼，如果不知道大楼将有什么样的负载，通常较合理的作法是采用额定电压高于系统电压（例如在400V系统采用525V电容器）的电容器组。使用较高额定电压的电容器则在将来如有负载会产生谐波时，仅需增设电抗器而不须更换电容器组。

无论何时，只要怀疑电容器组周围温度可能会超出其允许的最高温度上限值时，则建议在电容器配电盘内加设冷却风扇。还要提请注意的是在采用调谐式或滤波电抗器的地方，一定要使用强迫冷却方式，因为与电容器组相比，电抗器会产生更大的热量。