实际应用中的谐波改善和无功补偿

1. 概述
        公共电网和工业电网中的谐波量逐渐增加是全世界共同的趋势，很明显地，这和工业应用及商用建筑大楼中大量使用非线性负载和设备有着直接的关系。这些非线性设备通常为晶闸管或二级管整流器，它们将导致电网中的电力品质下降，常可出现在下列行业应用实例中。
* 变速驱动装置(VSD)，用于:
- 制造业和加工业
- 冶金工业中的感应加热
- 商业建筑中的电梯、空调泵、风机
* 商业和工业建筑楼房中的计算机及其它重要负载所用的不间断电源(UPS)

2. 谐波的影响
2.1 变压器
        对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，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失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子，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(仟瓦一小时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。
2.2 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值的纯正弦波电流相较，则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。
2.3 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为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，与正弦磁化相比，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动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动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，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。

2.4 电子设备
        电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。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，如可编过程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于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，导致较大的经济损失。
2.5 开关和继电保护
        像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外温升并使基波电流负载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。旧式低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱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之响应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。
2.6 功率因数补偿电容器
        电容器与其它设备相较有很大区别，电容器组之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，这将导致电容器组温升提高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。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。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，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。必需考虑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。
2.6.1 谐波与并联谐振
        变速驱动器产生的谐波电流，在经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到10-15倍。被放大之谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。需注意的是，在相同电流幅值条件下高频谐波电流所造成之损失要高于基波频率电流。
2.6.2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，由电容器组之电容和供电变压器之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。
2.6.3建议
        不论何时，只要有非线性负载(直流驱动器、换相器、UPS、及所有整流器)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。为避免在连接电容器组之系统产生并联或串联谐振，应采用滤波或调谐式电容器组。
        在那些电管部门对谐波量有限制的地方，通常安装滤波电容器组是必须的，以满足例如IEEE标准519-1992或Engineering Recommendation G5/3上标明之要求。典型的滤波电容器组设置五次、七次、十一次谐波等3个滤波分支路。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量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变之限制和目标功率因数。为了设计滤波电容器组，应对会产生谐波的负载进行调查及整合，对既设工厂而言进行实地谐波测量是最理想的方式。
        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之单次谐波电压畸变，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到此母线上，就会出  现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范例，所需之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，通常须给出电压畸变限制值。给出的低电压典型值举例如下: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。
        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负载会产生谐波时，仅须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。

3. 电力系统谐波谐振案例和解决方法
3.1 案例1
        在一个相当大的办公大楼内，发现许多电容器组因过热而损坏，损坏的是连接在负责供电给计算机不间断电源设备(UPS)变压器之自动功率因数控制电容器组上。
        为找出损坏的原因，对谐波进行了测量。测得的供电变压器基波和谐波电流以及电压的总谐波畸变率 (THD)。结果可知，当两段50KVAR投入后出现严重的并联谐振，将30A的十一次谐波电流(由UPS产生的)放大到183A(相当于大约10倍的放大系数)，同时电压的THD值也增加到19.6%。 当2段50KVAR电容器组投入，电容器上电流的有效值(RMS)是364A，相当于2.5倍的额定电流流经电容器，这足以说明电容器损坏的原因。根据IEC831-1 (低压电容器标准)，电容器的容许电流是额定电流的1.3倍。
        因为从谐波测量结果中可确认在供电系统中存有谐振现象，因此重新设计了无功补偿系统，并决定使用带7%电抗器的调谐式电容器组。请注意，装上调谐电容器组后，无论投入几段皆可避免谐振，而且也不会放大任何谐波电流，为了验证此新设计，在最大非线性负载下对调谐电容器组进行测试，结果证明谐波电流如期望般并无放大现象。
3.2 案例2
        单线系统图是从一个塑模公司的供电系统中取出的，这个固定式的150KVAR电容器组经常故障。为了找出频繁故障的原因，进行了实地谐波测量，结果如图9所示。测量得<