【文章內(nèi)容簡介】 異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中， 異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了 60％～ 70％；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的 60％～ 70％。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。 2 變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的 10％～ 15％，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的 1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。 3 供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對功率因數(shù)造成很大的影響。當(dāng)供電電壓高于額定值的 10％時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān) 資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的 110％時(shí)，一般無功將增加 35％左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。 無功功率補(bǔ)償 無功補(bǔ)償通常采用的方法主要有 3 種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡單介紹這 3 種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。 1 低壓個(gè)別補(bǔ)償 : 低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接， 它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行 如大中型異步電動(dòng)機(jī) 的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。 2 低壓集中補(bǔ)償： 低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。電容器的 投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功補(bǔ)償中常用的手段之一。 3 高壓集中補(bǔ)償： 高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的 6～ 10kV 高壓母線上的補(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時(shí)便于運(yùn) 行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。 3 采取適當(dāng)措施，設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù) 提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。 1 合理使用電動(dòng)機(jī)； 2 提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量； 3 采用同步電動(dòng)機(jī)：同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率取決于電動(dòng)機(jī)上所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流大小，在欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)”無功，在過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)“送出”無功。因此，對于恒速長期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu) 設(shè)備可以采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。 三相電路瞬時(shí)無功功率理論 圖 22 瞬時(shí)無功功率理論中電壓、電流關(guān)系 Figure 22 The moment have the unpower theories in the electric voltage relate to electric current 近年來 ,諧波和無功功率的補(bǔ)償問題日益受到重視。在要求對變化的諧波或無功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)膱龊?，建立在平均值基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)功率理論已經(jīng)難以適用。 20 世紀(jì) 80 年代初，日本學(xué)者赤木泰文 agi 等人提出了建立在瞬時(shí)值基礎(chǔ)上的三相電路瞬時(shí)無功功率理論，引起了諸多學(xué)者的跟蹤研究，在許多方面得到了成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力濾波器的諧波電流和無功電流實(shí)時(shí)檢測方法。 設(shè)三相電路瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流 : , , , , 將三相電路瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流變換到α β兩相正交的坐標(biāo)系中 ,如圖 22 所示。 α β兩相瞬時(shí)電壓 α β兩相瞬時(shí)電流 由此可得出二坐標(biāo)時(shí)的瞬時(shí)有功電流 、 ,及瞬時(shí)無功電流、再由二坐標(biāo)時(shí)的瞬時(shí)有功電流及瞬時(shí)無功電流來表示三相時(shí)的瞬時(shí)有功電流、 ,及瞬時(shí)無功電流、 ,經(jīng)過推算 ,可得到用三相有功功率 p 表示的各相瞬時(shí)有功功率 ,以及用三相無功功率 q 表示的各相瞬時(shí)無功功率。 各相瞬時(shí)有功功率 : .......................... 23 ???????????? 24 ???????????? 25 各相瞬時(shí)無功功率 : ????????? 26 ................. 27 ??????? 28 其 中 , ???????? 29 由此 ,可得到各相瞬時(shí)有功功率和各相瞬時(shí)無功功率的性質(zhì) ,它們滿足 ???????????? 210 ???????????? 211 可以看出 ,這種變換并沒有改變電路中各種電量的關(guān)系 ,但是 ,它對人們認(rèn)識問題卻發(fā)生了本質(zhì)的變化 ,瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率是一個(gè)劃時(shí)代的全新概念 ,它將借助計(jì)算機(jī)和新型電子器件 ,帶來電力系統(tǒng)諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)囊粓鲋卮笞兏?,最終真正解決諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)膯栴}。傳統(tǒng)的功率理論是建立在平均值基礎(chǔ)上的 ,它只適用于正弦波 ,瞬時(shí)無功功率理論 研究的是瞬時(shí)值 ,它不僅適用于正弦波 ,而且適用于非正弦波 ,為解決電力系統(tǒng)中諧波抑制與無功補(bǔ)償問題奠定了理論基礎(chǔ) ,研究它和將其運(yùn)用于實(shí)際 ,有著重大的意義和美好的前途。 諧波和無功電流的實(shí)時(shí)檢測方法簡介 電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代就引起了人們的注意。國際上對電力諧波問題的研究大約起源于 20 世紀(jì)五、六十年代 ,當(dāng)時(shí)的研究主要是針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題。進(jìn)入 70 年代后 , 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)、交通及家庭中的廣泛應(yīng)用 ,諧波問題日重 ,從而引起世界各國的 高度重視。各種國際學(xué)術(shù)組織如國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì) IEEE 、國際電工委員會(huì) IEC 和國際大電網(wǎng)會(huì)議 CIGRE 相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn) GB /T14549 93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 ,標(biāo)準(zhǔn)給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值。諧波問題涉及的學(xué)科范圍很廣 ,主要有電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)和理論電工 ,各學(xué)科知識交叉融會(huì)凸現(xiàn)出諧波問題研究的復(fù)雜性和難度。 諧波及其研究 “諧波”一詞 源于聲學(xué) ,電力系統(tǒng)的諧波是指一個(gè)周期電氣量的正弦波分量 ,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。應(yīng)該注意 ,電力系統(tǒng)所指的諧波是穩(wěn)態(tài)工頻整倍數(shù)的波形 ,電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇 。諧波與不是工頻整倍數(shù)的次諧波 頻率低于工頻基波頻率的分量 和分?jǐn)?shù)諧波 頻率為非基波頻率整倍數(shù)的分?jǐn)?shù) 有定義上的區(qū)別。傅里葉等人早就提出諧波分析。諧波研究有著十分重要的意義。因?yàn)橹C波危害嚴(yán)重 ,諧波損耗使電能生產(chǎn)、傳輸?shù)男式档?。諧波使設(shè)備過熱、引起震動(dòng)、出現(xiàn)燥聲、絕緣老化、壽命縮短、發(fā)生故障或燒毀。諧波使系統(tǒng)局 部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振而導(dǎo)致諧波放大 ,致使設(shè)備燒毀。諧波使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作 ,電能計(jì)量混亂。諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備嚴(yán)重干擾 ,諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙。要治理環(huán)境污染 ,維護(hù)綠色環(huán)境 ,必須治理諧波。諧波研究的主要內(nèi)容是 ,研究與諧波有關(guān)的功率定義和功率理論 ,研究諧波分析、諧波的危害 ,研究諧波的補(bǔ)償和抑制 ,研究諧波的測量和限制的標(biāo)準(zhǔn)。 諧波抑制 諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生 :當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí) ,設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同 ,電流因而發(fā)生了畸變 ,由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連 ,故諧波電 流注入到電網(wǎng)中 ,這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。 主要的諧波源有變壓器、勵(lì)磁電流、電力電子裝置、相控整流器、相控交流功率調(diào)整電器、周波變流器、逆變器、直流斬波器、開關(guān)電源、不間斷電源、電壓型變頻器、彩電、辦公設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)等。如電弧爐 ,電極處于短路狀態(tài) ,電弧不穩(wěn)定 。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 ,感應(yīng)電動(dòng)勢不是理想的正弧波 ,都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重非線性 ,出現(xiàn)諧波。抑制諧波的途徑有兩條 ,一是采用諧波補(bǔ)償裝置 ,二是采用不產(chǎn)生諧波的電力電子裝置 ,使功率因數(shù)為 1。 諧波補(bǔ)償裝置 ① LC 諧波濾波器 特性 受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響 ,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振 ,導(dǎo)致諧波放大 ,使抑制諧波與補(bǔ)償無功 ,由幾組單調(diào)諧濾波器和高通濾波器組成。它的缺點(diǎn)在于補(bǔ)償 LC 濾波器過載 ,甚至燒毀。它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波 ,補(bǔ)償效果也不理想。 ②有源電力濾波器 APF 它檢測諧波電流 ,并產(chǎn)生一個(gè)與其大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流 ,使電網(wǎng)電流只含基波。它基于 PWM 和瞬時(shí)無功功率理論 ,采用全控型開關(guān)器件 ,可關(guān)斷晶閘管 GTO 構(gòu)成?，F(xiàn)在已經(jīng)有較好使用。 2 無諧波電力電子裝置 ① PWM 變流器采用 PWM 方式構(gòu)成整流器和逆變器 ,裝置不產(chǎn)生諧波 ,使 輸出電壓電流為正弦波 ,輸入電流也為正弦波 ,裝置的功率因數(shù)為 1。 ②小容量整流器 采用“二極管 + PWM 斬波”方式構(gòu)成 ,有功率因數(shù)校正電路 PFC,是一種低諧波、高功率因數(shù)裝置 ,常用于辦公設(shè)備和家用電器中。 ③矩陣式變頻器 采用全控型雙向可控開關(guān)器件 ,按矩陣方式排列 ,控制方式采用斬控方式。這種電路可使輸入電流控制為正弦波且和電壓同相 ,功率因數(shù)為 1,也可控制為需要的功率因數(shù) 。其輸出電壓也為正弦波 ,輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制 。能量雙向流動(dòng) ,適用于交流電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行。 無功補(bǔ)償 人們對有功功率概念的理解是容易的 ,但對無功功率概念的認(rèn)識和解卻并不容易 ,在正弦電路中無功功率概念是清楚的 ,而在含有諧波時(shí) ,至今尚未獲得公認(rèn)的無功功率定義。由于無功功率的存在 ,它對電力系統(tǒng)的影響很大 ,會(huì)因此增加供電設(shè)備的容量 ,使設(shè)備及線路損耗增加 ,設(shè)備及變壓器的電壓降增大 ,使能耗增加 ,經(jīng)濟(jì)效益降低。無功補(bǔ)償問題始終受到人們的重視 ,無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t是就近補(bǔ)償 ,包括波無功補(bǔ)償和諧波無功補(bǔ)償 諧波補(bǔ)償 兩部分 ,這就把諧波抑制與無功補(bǔ)償聯(lián)系在一起了。通過無功補(bǔ)償可以提高系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù) ,降低設(shè)備容量 ,減少功率損耗 ,穩(wěn)定用戶端及電網(wǎng)電壓 ,提高供電質(zhì)量 ,在三相負(fù)載不平衡時(shí) ,可平衡三相的有功及無功負(fù)載。無功補(bǔ)償裝置有以下幾種 : 1 同步調(diào)相機(jī) 它補(bǔ)償固定無功 ,也可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 2 并聯(lián)電容器 只補(bǔ)償固定無功 ,系統(tǒng)中有諧波時(shí) ,可能發(fā)生并聯(lián)諧振 ,使諧波放大 ,電容燒毀。 3 靜止無功補(bǔ)償裝置 SVC 一種采用“固定電容器 +晶閘管控制電抗器 FC + TCR ”結(jié)構(gòu)形式 ,可進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。另一種采用“晶閘管投切電容器 TSC 方式” ,進(jìn)行分組投切 ,這種補(bǔ)償功率不連續(xù)。第三種是混合型 ,即“ TCR + TSC”形式 ,效果更好。 4 靜止無功發(fā)生器 SVG 它是 比 SVC 更為先進(jìn)的現(xiàn)代電力電子補(bǔ)償裝置 ,其基本電路仍是三相橋式變流電路 ,直流側(cè)只需較小電抗 ,采用 PWM 控制方式 ,可發(fā)出無功 容性 ,也可吸收無功 容性 。美國西屋電氣公司與電力研究院聯(lián)合為美國田納西峽谷電力系統(tǒng)研制的177。 100Mvar SVG,已得到成功應(yīng)用。 . 諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)穆?lián)系 諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)穆?lián)系主要有三個(gè)方面。系統(tǒng)無諧波時(shí) ,無功功率有固定概念和定義。有諧波時(shí) ,無功功率的定義和諧波密切相關(guān) ,諧波除本身的問題外 ,還影響無功功率和功率因數(shù)。產(chǎn)生諧波的裝置也消耗基波無功功率 ,如電力電子裝置、電 弧爐、變壓器等。補(bǔ)償諧波的裝置也補(bǔ)償基波無功功率 ,如 LC 諧波濾波器、有源電力濾波器、高功率因數(shù)整流器等。 無功電流的實(shí)時(shí)檢測方法簡介 在赤木泰文瞬時(shí)無功功率理論的基礎(chǔ)上，首先在三相電路諧波實(shí)時(shí)檢測方面得到了成功的應(yīng)用，目前在有源電力濾波器中，基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應(yīng)用最多。最早 的諧波電流檢測方法是采用模擬濾波器來實(shí)現(xiàn)，即采用陷波器將基波電流濾除，得到諧波分量?；虿捎脦V波器得出基波分量，再與被檢測電流相減得到諧波分量。這種方法存在許多缺點(diǎn)，如難設(shè)計(jì)、誤差大、對電網(wǎng)頻率波 動(dòng)和電路元件參數(shù)十分敏感等，因而己極少采用。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，開始采用傅立葉分析的方法來檢測諧波和無功電流。這種方法是根據(jù)采集到的一個(gè)電源周期的電流值進(jìn)行計(jì)算，最終得出所需的諧波和無功電流。其缺點(diǎn)是需要一定時(shí)間的電流值，且需進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大，從而使得具有較長的時(shí)間延遲，檢測的結(jié)果實(shí)際上是較長時(shí)間前的諧波和無功電流，實(shí)時(shí)性不好。也可 根據(jù) Fryze 的傳