第6章供電系統的電能質量與無功補償內容提要：本章主要介紹工廠供電系統的電壓質量問題，首先介紹了電壓的偏差及其調節，然后介紹電壓波動和閃變及其抑制以及高次諧波及其抑制的問題，最后介紹了供電系統的三相不平衡。第一節電能質量概述第二節電壓偏差及其調節第三節電壓波動和閃變及其抑制第四節高次諧波及其抑制第五節供電系統的三相不平衡第6章供電系統的電能質量于無功補償一、電能質量問題

在三相電力系統中，理想的電能質量是：系統頻率恒為額定頻率；三相電壓波形是三相對稱的、幅值恒為額定電壓的正弦波形；三相電流波形是三相對稱的正弦波形；供電不間斷。二、理想的電能質量

電能質量是指電氣設備正常運行所需要的電氣特性，任何導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差都屬于電能質量問題。第一節電能質量概述

三、電能質量標準電能質量標準是保證電網安全經濟運行、保護電氣環境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術規范，是實施電能質量監督管理、推廣電能質量控制技術、維護供用電雙方合法權益的法律依據。我國已經頒布的電能質量標準有：GB12325-2003《電能質量供電電壓允許偏差》GB12326-2000《電能質量電壓波動和閃變》GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》GB/T15543-1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》GB/T15945-1995《電能質量電力系統頻率允許偏差》GB/T18481-2001《電能質量暫時過電壓和瞬態過電壓》根據擾動的頻譜特征、持續時間和幅值變化，分為：

（1）暫態擾動通常指持續時間不超過3個周波的擾動。并聯電容器投切和雷擊都會造成暫態擾動。暫態擾動又分為脈沖型和振蕩型，脈沖型暫態擾動持續時間不超過1ms，具有陡峭的上下沿；振蕩型暫態擾動持續時間一般不超過1個周波，振蕩頻率在5kHz以上。（2）短期電壓變化包括電壓跌落、電壓突升和短暫斷電。此類擾動的持續時間通常為半個周波到1min。（3）長期電壓變化電壓幅值長期偏離其額定值，包括電壓偏差和持續斷電。此類擾動通常持續1min以上。（4）電壓波動電壓幅值周期性下降和上升。（5）波形畸變包括電力諧波、電壓缺口、直流偏置和寬帶噪音。相控型電力電子裝置是引起電力諧波和電壓缺口的主要因素。（6）三相不平衡供電電源的三相電壓不對稱或負荷三相電流不對稱，即三相幅值不等或相角差不等于120

。（7）頻率變化基波頻率偏離其額定頻率，包括頻率偏差和頻率波動，典型的頻率波動周期為10s之內。電能質量擾動電能質量擾動是客觀存在的，它嚴重干擾著用電設備尤其是信息處理設備的正常運行。因此，一方面應該規定電網的電能質量擾動允許值，另一方面，用電設備也應該具有一定的電能質量擾動耐受容限。為了防止電壓擾動造成計算機及其控制裝置的誤動和損壞，美國信息技術工業協會（ITIC）提出了電壓容限曲線，如下圖所示。若電壓落在包絡線內陰影部分，則該電壓是合格的，否則電壓是不合格的。該曲線主要與4種典型的電壓擾動相對應，包括電壓跌落、電壓突升、尖峰脈沖和斷電。譬如，按照該曲線，允許電壓出現20ms以內的短時斷電、允許出現持續1ms但幅值不超過200％的電壓尖峰脈沖、允許長期電壓偏差為

10％等。電壓質量是電能質量的核心。由于發電機發出的電壓是比較理想的，所以，公用電網中的電壓擾動主要是由負荷電流擾動在電網阻抗上的壓降引起的。譬如，大容量整流設備是電力諧波的主要發生源，交流電弧爐等波動負荷是電壓波動的發生源，電力機車等單相用電設備是導致三相系統不平衡的主要因素。

四、影響電能質量的因素

影響電壓質量的主要因素有：①負荷無功功率或無功功率變化量；②電網短路容量或電網等效電抗。負荷無功功率或無功變化量越大，對電壓質量的影響越大；電網短路容量越大，則負荷變化對電網電壓質量的影響越小。無功功率補償既是電網節能降耗的措施，也是改善電網電能質量的措施之一。五、改善電網電能質量的措施高壓電網第二節電壓偏差及其調節

一、電壓偏差的含義電壓偏差是指電網電壓偏離電網額定電壓的程度。電壓偏差：電網實際電壓與額定電壓之差對額定電壓的百分數，即產生電壓偏差的主要原因是正常的負荷電流或故障電流在系統各元件上流過時所產生的電壓損失所引起的。實際電壓偏高或偏低，對運行中的電氣設備會造成不良影響。最大允許電壓偏差:35kV及以上供電電壓：電壓正、負偏差絕對值之和為10％；10kV及以下三相供電電壓：

7％；220V單相供電電壓：+7％，-10％。通過電壓監測裝置，對供電點的電壓進行監測，統計監測時間內的電壓超限時間，按下式計算電壓合格率：線路和變壓器中的電壓損失是產生電壓偏差的主要原因，變壓器的分接頭調整也直接影響到下級電網的電壓偏差。1．變壓器分接頭對電壓偏差的影響降壓變壓器的一次側，根據容量的不同都設有若干個分接頭。小容量變壓器一般設有0％和

5％三個分接頭.大容量變壓器則設有0％、

2.5％、

5％五個分接頭。普通變壓器只能在不帶電的情況下改換分接頭.對每一臺變壓器在投入運行前都應該選擇一個合適的分接頭。二、變壓器對電壓偏差的影響

變壓器參數表示符號：當進線電壓為10kV且接在0％分接頭時，二次側空載輸出電壓為0.4kV，即電壓偏差為+5％；當進線電壓為10.5kV且接在+5％分接頭時，二次側空載輸出電壓仍為0.4kV，電壓偏差仍為+5％；但當10kV電壓接在+5％的分接頭時，則二次側空載輸出電壓為0.38kV，電壓偏差為0％；反之，如將10kV接在-5％的分接頭上，二次側空載輸出電壓為0.42kV，電壓偏差為+10％。當在變壓器一次側分接頭上所加電壓為電網額定電壓，即U1=UN1時，單純由變壓器分接頭調整而引入的電壓偏差量可按下式進行計算：變壓器中的電壓損失與線路一樣，按式計算：

當變壓器一次側分接頭所加電壓為額定電壓時,由變壓器本身所產生的總電壓偏差量為變壓器負載時二次側電壓為：三、電壓偏差的計算指定地點E的電壓偏差可由下式計算:四、電壓偏差的調節

GB12325-1990《電能質量供電電壓允許偏差》中規定，供電部門與用戶的產權分界處或供用電協議規定的電能計量的最大允許電壓偏差應不超過：

35kV及以上供電電壓：電壓正、負偏差絕對值之和為10%；

10kV及以下三相供電電壓：±7%；

220V單相供電電壓：+7%，-10%。

（一）電壓調節的方式

對中樞點的電壓進行監視和調節。中樞點調壓方式：常調壓：不管中樞點的負荷怎樣變動，都要保持中樞點的電壓偏差為恒定值；逆調壓：在最大負荷時，升高母線電壓，在最小負荷時，降低母線電壓。（二）電壓調節的方法

對于電力用戶的供配電系統，電壓偏差調節主要以下兩方面入手。1.減小線路電壓損失

2.合理選擇變壓器的分接頭合理地減少系統的阻抗，減少系統的變壓級數；盡量保持系統三相平衡；使高壓線路深入負荷中心；采用多回路并聯供電；設置無功補償裝置等。

第三節電壓波動和閃變及其抑制

電壓波動是指電壓在系統電網中作快速短時的變化。電壓波動值，以用戶公共供電點的相鄰最大與最小電壓方均根值之差對電網額定電壓UN的百分值表示。電壓波動是由于負荷急劇變動的沖擊負荷所引起。影響電氣設備的正常工作。一、電壓波動和閃變的基本概念閃變是指人眼對燈閃的主觀感覺。引起燈光（照度）閃變的波動電壓，稱為閃變電壓。1．電壓波動將電網電壓每半周波的方均根值按時間序列排列，其包絡線即為電壓波動波形電壓波動用電壓變動值d電壓變動頻度r來綜合衡量。電壓變動頻度r是指單位時間（1h或1min）內電壓變動的次數。電壓變動值電壓波動是由波動負荷的劇烈變化引起的。大容量負荷的劇烈變化在供電系統阻抗上引起電壓損失的變化，從而引起各級電網電壓水平的快速變化。設供電系統中某一評價點的電力負荷由(P+jQ)變化為(P+

P)+j(Q+

Q)，由式（6-1）可得負荷變化在該點引起的電壓變動值為由上式得出的重要結論是：在沖擊性負荷下，電壓變動值與負荷的無功功率變化量成正比，與電網的短路容量成反比，計算時宜采用負荷的最大無功變化量和電網的最小短路容量。

2．電壓閃變當波動負荷引起電網電壓波動時，將使由該電網供電的照明燈光發生閃爍，進而引起人們視覺不適和情緒煩燥，影響正常生產和生活。因此，電壓閃變的評價還要考慮電光源的光電響應特性、人眼的感光特性以及大腦的反應特性等因素。在同等電壓變化量條件下，白熾燈的光通量變化比日光燈顯著得多；但是，白熾燈具有較大熱慣性，對于高頻度的電壓波動，其光閃反應的靈敏程度較低。由光閃引起的人眼和大腦的不適，與光源種類和閃爍頻度有關，也包含生理和心理方面的因素，。調查結果表明，對于等幅的正弦電壓波動引起的燈光閃爍，在不同的波動頻率下，人眼和大腦的感受程度是不同的。電壓波動和閃變是由接入電網中的各個用戶中的波動負荷引起的。就單個波動負荷用戶而言，波動負荷能否直接接入電網運行，需要根據用戶負荷大小、協議用電容量和供電電壓等級進行電壓變動和閃變的核算，具體核算方法在國標中有具體說明。但若用戶中的負荷變動滿足下表6-3的要求，則該用戶可以不經核算直接接入電網。表中，

S為波動負荷的視在功率的變動，Sk為公共連接點的系統短路容量。

二、電壓波動和閃變的估算三、電弧爐引起的電壓波動和閃變的估算四、電動機起動引起的電壓波動的估算五、電壓波動和閃變的抑制

要減小電壓波動和閃變，可從提高供電系統短路容量和減小波動負荷的無功功率變化量兩個方面入手。此外，采用合理的供電方式，如給波動負荷以專線單獨供電或提高波動負荷的供電電壓等級，不失為一條簡便易行的有效途徑。提高系統短路容量的方法有：1）提高供電電壓。通常，高一級供電電壓的系統其短路容量也較大。2）采用雙回線路并聯供電。3）采用線路串聯補償，降低輸電線路電抗或動態補償線路壓降。減小波動負荷無功功率變化量的方法有：1）改進操作過程和運行工藝，減小負荷波動。譬如，電弧爐電極自動升降調節、大塊爐料預先加以破碎等。2）改變波動負荷供電回路參數，如串聯電抗器、根據運行工況調節設備端子電壓等。3）采用動態無功功率補償裝置。

圖6-15為TCR型SVC主回路及其工作原理圖，固定容量的電容器用于補償基波無功功率，通常電容器支路串一電抗器使其兼作電力諧波濾波器。圖6-15TCR型靜止無功補償器的主電路結構和調節原理a)主電路結構b)TCR無功電流調節原理示意圖由于負荷一般是感性的，設負荷的無功功率變化量為

QL，利用晶閘管的相位控制，使TCR的無功功率QLR

對應于

QL相反的變化量，從而使（QLR+

QL）為一恒定的感性無功功率。電容器產生的容性無功功率Qc與（QLR+

QL）相互補償，控制QLR可使系統的無功功率QS基本保持恒定。關于其它動態無功功率補償裝置與技術請參閱本章第六節“供電系統的無功功率補償”。第四節高次諧波及其抑制

一、高次諧波的產生與危害

諧波對幾乎所有連接于電網的電氣設備都有損害，主要表現為產生諧波損耗，使設備過熱以及諧波過電壓、加速設備絕緣老化等。諧波對繼電保護、電能計量精度等也有影響、諧波還對通信質量有影響。

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數，也稱為高次諧波。

系統中的主要諧波源可分為兩大類：①含半導體非線性元件的諧波源；②含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源。

如在系統和用戶中存在諧波干擾，將會使系統中的電壓和電流發生畸變。供電系統中的諧波源主要是諧波電流源，諧波電流通過電網將在電網阻抗上產生諧波電壓降，從而導致諧波電壓的產生。二、諧波的評價估算

第h次諧波電壓含有量和第h次諧波電流含有率按下式計算：諧波電壓總含量UH和諧波電流總含量IH按下式計算：

式中，Uh為第h次諧波電壓（方均根值）；U1為基波電壓（方均根值）；Ih第h次諧波電流（方均根值）；I1為基波電流（方均根值）。電壓總諧波畸變率THDu和電流總諧波畸變率THDi按下式計算：

諧波電壓限值及諧波電流允許值的規定值可參考GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》。2．諧波限值我國國標GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》中對諧波電壓限值及諧波電流允許值作了明確規定。表6-8列出了各級電網電壓下的諧波電壓限值：表6-8公用電網諧波電壓(相電壓)限值表6-9列出了各級電網電壓下用戶注入到公共連接點的諧波電流允許值。表6-9注入公共連接點的諧波電流允許值三、供電系統諧波分析計算供電系統的諧波分析，就是在給定系統結構和參數情況下，預測系統各點諧波電壓和各條線路諧波電流的分布情況，同時分析采取諧波抑制裝置和無功補償電容器后對系統諧波分布情況的改善或影響的程度。諧波分析計算的方法目前主要有:1)穩態分析法:簡便實用,適合于具有一個或幾個較顯著的諧波電流源的單端放射式供電網絡的諧波分布分析.

2)諧波潮流分析法:較為復雜，一般適用于具有多個諧波源的大型電力系統的諧波分布分析

供電系統各元件諧波等效模型供電系統各元件諧波等效模型是諧波分析的基礎和關鍵，在分析計算中，通常近似認為：式中X、Xh——分別為元件基波和h次諧波感抗；Xc、Xch——分別為元件基波和h次諧波容抗；R、Rh——分別為元件基波和h次諧波電阻；此外，為簡化計算，通常假設供電系統三相對稱，并根據用戶供電系統的實際特點對元件的等效模型作相應的簡化處理。

供電電源等效基波電抗和電流為：式中UN——供電電源額定電壓(kV)；

Sk——供電電源三相短路容量(MVA)。

供電電源：通常認為供電電源為正弦波電壓源。分析時，將該電源等效為一個基波電流源與電源內電抗的并聯，如圖6-17a所示。圖6-17供電系統各元件諧波等效模型a)供電電源供電電源等效基波電抗和電流為：式中UN——供電電源額定電壓(kV)；

Sk——供電電源三相短路容量(MVA)。

供電電源等效基波電抗和電流為：式中UN——供電電源額定電壓(kV)；

Sk——供電電源三相短路容量(MVA)。

供電電源等效基波電抗和電流為：式中UN——供電電源額定電壓(kV)；

Sk——供電電源三相短路容量(MVA)。

供電線路：對用戶供電系統而言，由于用戶供電線路較短，可以忽略線路對地分布電容。線路等效模型如圖6-17b所示：

圖6-17供電系統各元件諧波等效模型b)供電線路變壓器：用戶供電系統中的變壓器容量相對較小，可略去變壓器勵磁電抗不計。變壓器等效模型如圖6-17c所示：

圖6-17供電系統各元件諧波等效模型

c)變壓器

并聯電容器用理想電容器來表示，如圖6-17d所示，其等效基波容抗為：式中Qc——并聯電容器的額定容量(Mvar)。圖6-17供電系統各元件諧波等效模型

d)電容器電抗器：以理想電感來表示，如圖6-17e所示，其等效基波電抗為：式中

1——基波角頻率；L——電抗器電感量。圖6-17供電系統各元件諧波等效模型

e)電抗器電力負荷可按等效電阻和等效電抗的并聯來考慮，如圖6-17f所示。感性負荷等效基波阻抗計算如下：式中，Pc、Qc——電力負荷的計算負荷。圖6-17供電系統各元件諧波等效模型

f)電力負荷諧波源：諧波源設備通常用各次諧波電流源的并聯來表示，如圖6-17g所示。對于整流裝置，首先可根據額定容量和額定電壓求出基波電流，然后可按表6-5計算各次諧波電流值。圖6-17供電系統各元件諧波等效模型

g)諧波源系統等效電路及其諧波分布分析將供電系統各元件的等效模型按系統聯接關系逐一替換，即可得系統等效電路，供電系統在基波和h次諧波下的等效電路的一般結構如圖6-18所示：圖6-18供電系統等效電路一般結構a)基波等效電路b)諧波等效電路

確定了諧波等效電路之后，采用經典的電路分析方法即可求出各支路h次諧波電流和各節點h次諧波電壓，也可采用諸如MATLAB等仿真計算軟件來分析計算。如果該系統中含有多個獨立諧波源，按照疊加原理，可以先逐個計算每一諧波源在各個節點產生的h次諧波電壓及在各條支路產生的h次諧波電流，然后求各諧波源在同一節點產生的h次諧波電壓的相量和以及在同一支路上產生的h次諧波電流的相量和。當然，計算中必須已知各個諧波源之間的相位關系。四、并聯電容器對諧波的放大作用在用戶供電系統中，并聯電容器作為無功功率補償設備得到廣泛應用。供電系統中的電容器，一方面由于其諧波阻抗小，系統高次諧波電壓會在其中產生顯著的高次諧波電流，使電容器過熱，嚴重影響其使用壽命；另一方面，電容器的投入可能引起系統諧波放大。綜上所述，在含有諧波的供電系統中，裝設并聯電容器時應注意以下幾點：1)在含有諧波的供電系統中，無功補償用并聯電容器組的投入運行，會引起系統諧波電流和諧波電壓的放大。因此，電容器支路應串聯防諧電抗器，以防止發生諧波放大現象。2)當供電系統存在諧波時，即使電容器組對諧波無放大作用，電容器也會因諧波的存在而出現過電流和過電壓。因此，在選擇電容器參數時，應根據實際情況核算電容器中電流和電壓的方均根值，使其不超過電容器的允許值。我國電容器生產廠家通常規定，電容器可在1.1倍額定電壓和1.3倍額定電流下長期運行。三、高次諧波的抑制工業企業供電系統中高次諧波的抑制，首先應考慮采用新技術或新裝置，盡量減小諧波源設備的諧波發生量。減小諧波源設備諧波發生量的主要方法有：（1）增加整流裝置的相數增加整流裝置的相數是降低大容量整流設備諧波發生量的基本和常用方法之一。（2）采用PWM整流器PWM整流器既可以改善交流輸入電流的波形，還可以提高裝置的功率因數，使裝置的總體功率因數為1，因而也稱為單位功率因數整流器。（3）改變供電系統的運行方式改變供電系統的運行方式，保持三相系統平衡，可以減小整流器的非特征諧波電流。此外，合理布局無功補償裝置，避免電容器對諧波的放大作用。采取上述措施后，若諧波仍不能滿足要求，應考慮設置諧波濾波器。

按照濾波器與諧波源的串并聯關系，濾波器分為并聯型濾波器和串聯型濾波器。按照濾波器的濾波原理和電路結構，電力濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器。

無源電力濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器按一定方式連接而成，利用電抗器與電容器的串并聯諧振來達到抑制諧波的目的，因此，無源濾波器也稱調諧濾波器。調諧濾波器分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器和高通濾波器。一組單調諧濾波器只能濾除單次諧波，對于諧波含量較大的低次諧波，可采取多組單調諧濾波器的并聯組合，對于剩余的諧波含量相對較小的高次諧波，可以統一采用一組高通濾波器來濾除。因此，一套無源電力諧波濾波裝置通常包括多組單調諧濾波器和一組高通濾波器。圖6-23濾波裝置在供電系統中的聯結示意圖①②單調諧濾波器,③高通濾波器單調諧濾波器的濾波電抗器和電容器的理論參數應滿足下式關系：式中h——單調諧濾波器期望濾除的諧波次數；

1——系統基波頻率當電容和電抗值滿足式(6-57)時，單調諧濾波器在h次諧波下呈現的總阻抗最小，濾波器的濾波效果最好。

有源電力濾波器有源電力濾波器是一種廣譜濾波器，能夠濾除多種諧波分量，目前可以濾除25次以下的諧波。有源濾波器具有高度可控性和快速響應性，濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險，并且具有可以重置的優點。有源濾波器具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術，其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統的電能質量的方向發展。圖6-24所示是一個并聯型有源電力濾波器的原理結構

有源濾波器由兩大部分組成，一部分是用于產生諧波補償電流的電壓源逆變器及其控制系統，另一部分是負荷電流的諧波分量的檢測系統。圖中，iS、iL、iC分別為電源電流、負荷電流和有源濾波器發出的補償電流。首先，檢測電源電壓、負荷電流和直流側電壓Udc，通過補償電流運算單元得到負荷電流中的諧波分量，即補償電流指令iC.ref，然后由電流跟蹤控制電路產生6路PWM信號，通過驅動之后控制APF主電路元件，產生諧波補償電流。設負荷電流波形如圖所示，可將其分解為基波分量iF和諧波分量iH。有源電力濾波器首先實時檢測出負荷電流中的諧波分量iH，再通過逆變器產生與iH大小相等的補償電流iC，注入電網以抵消iH，從而使系統側電流iS僅為負荷電流的基波分量iF。目前，諧波電流檢測普遍采用基于瞬時無功理論的瞬時諧波電流檢測方法，而電流發生器主回路則采用基于電流跟蹤控制的電壓源逆變器。

負荷電流波形例及其分解就目前的實際情況而言，由于受電力電子器件和裝置工藝的限制，有源濾波器的耐壓和容量還非常有限，只限應用于中低壓系統。此外，有源濾波器的單位容量成本較高，也是限制其推廣應用的一個因素。無源濾波器與有源濾波器各有其優缺點。無源濾波器容量大、簡單可靠、成本低，但濾波性能較差；有源濾波器濾波性能好，但裝置容量有限、電壓水平低、成本高。因此，將有源濾波器與無源濾波器有機地結合起來，形成了混合濾波器（HybridFilter），在技術和經濟兩方面將是一個比較好的折中方案。混合濾波器尚處于試驗研究階段。二階高通濾波器單調諧濾波器雙調諧濾波器一階高通濾波器三階高通濾波器C形高通濾波器3．裝設有源電力濾波器

有源電力濾波器分并聯型和串聯型兩種，實際應用中多為并聯型。并聯型有源電力濾波器是一種向電網注入補償諧波電流，以抵消負荷所產生的諧波電流的濾波裝置，其主要電路由靜態功率變流器（逆變器）構成，故具有半導體功率變流器的高可控性和快速響應性。諧波電流的補償第五節供電系統的三相不平衡

一、基本概念：在三相供電系統中，當電流和電壓的三相相量間幅值不等或相位差不為1200時，則三相電流和電壓不平衡。三、危害：三相不平衡對供用電設備將帶來危害。（1）感應電動機：負序電壓在電動機中產生反向轉矩從而降低了電動機的有用輸出轉矩；負序電壓產生負序電流。（2）變壓器：變壓器容量不能充分利用。（3)變流裝置：整流裝置會產生較大的非特征諧波，進一步影響電能質量。

二、原因：供電系統的三相不平衡主要是由三相負荷不對稱所引起的。電流和電壓不平衡現象有短時的（一相不對稱短路，斷線等），也有持續的（一相非對稱運行方式；以及非對稱負荷等）。

五、三相不平衡的補償：首先將單相負荷平衡地分布于三相中，同時要考慮到用電設備功率因數的不同，盡量兼顧有功功率與無功功率均能分布。在低壓系統中，各相安裝的單相用電設備其各相之間容量最大值與最小值之差不應超過15%。

四、三相不平衡度：

三相不平衡程度通常用不平衡系數表示。式中，εU%、εI%表示電壓及電流的不平衡系數；U1、U2和I1、I2表示正、負序電壓和正、負序電流。第六節供電系統的無功功率補償在用戶供電系統中，廣泛使用著電力變壓器、交流電動機及交流電抗器等感性設備，他們從電網吸收大量無功功率，不僅在輸電線路和配電變壓器中引起額外的附加電能損耗，而且無功功率是影響電壓質量的主要因素。無功補償是降低電網電能損耗和改善電壓質量的有效措施。1.無功功率與功率因數無功功率是交流電磁設備工作的需要，也是交流電網的基本特征。對于正弦交流電路而言，無功功率是指電路中電感元件和電容元件在一個工頻周期中所吸收的最大功率。無功功率的重要特征是，感性無功功率與容性無功功率可以互補。譬如，在感性設備的兩端，并聯一組電容器，電容器就可以向感性設備提供一定的無功功率，從而減少感性設備對電網的無功功率的需求，這就是無功補償的基本原理。若三相電壓和電流正弦且對稱，則有：式中U、I——分別為三相線電壓和電流的有效值。對于非正弦交流電路，無功功率比較復雜，按照正弦對稱系統的定義，可分為基波正序無功功率、基波負序無功功率、各次諧波的正序和負序無功功率等。首先，利用傅立葉變換可以求出三相電壓和電流的基波相量和各次諧波相量，再利用對稱分量法可以求出基波和各次諧波的正序分量和負序分量，應用上式則可求出各種無功功率。功率因數與無功功率有著密切的聯系。任意三相系統的總功率因數PF（PowerFactor）定義為：式中，P為三相有功功率，S為三相視在功率。上式既適用于三相正弦對稱系統，也適用于三相非正弦系統或三相不對稱系統。對于正弦系統，每相的功率因數定義為該相電流與電壓的相位差的余弦值cos

，通常也稱為位移因數。對于非正弦系統，通過傅立葉變換可以得到各相的基波位移因數。在對稱的三相正弦系統中，三相功率因數相等，即三相總功率因數等于各相的位移因數。2無功補償的意義與途徑無功功率是電氣設備或系統正常工作的需要，它本身并不產生能耗，但當它在電網中傳輸時，會產生各種不良影響：

1）無功功率增大了輸電線路中的電流，在線路電阻上產生額外的電能損耗。因此，無功補償可以達到節能降耗的目的。

2）無功功率增大了系統供電容量，因而增大了線路和開關設備的規格以及變壓器的容量需求。換句話說，在現有的電網中，無功功率降低了線路和變壓器的利用率。因此，無功補償有助于降低供電系統的投資費用。

3）無功功率增大了線路電壓降，降低了電網的電壓質量。因此，無功補償具有調節和穩定電壓的作用，是改善電壓質量的有效手段。

降低供電系統的無功功率、提高功率因數的途徑主要有：

1）提高用電設備的自然功率因數。合理選擇用電設備的型式和容量，避免設備輕載運行；開發和采用新技術，提高設備的功率因數，如采用PWM整流技術和功率因數校正技術改造傳統相控整流器等。

2）就近裝設無功補償裝置。作為一個無功電源，向負荷提供一定的無功功率，減少負荷對電網的無功需求。3無功補償的方式：按照無功補償容量的調節方式，無功補償方式分為動態補償和靜態補償。動態補償是指補償容量能夠快速連續地自動跟蹤負荷無功功率的變化，靜態補償是指補償容量在相對比較長的一段時期內是固定不變的。按照無功補償裝置的安裝地點，無功補償方式分為就地補償和集中補償。就地補償適用于個別設備容量較大且負荷較平穩的場所，補償裝置與用電設備同時投入運行和斷開。集中補償時電容器的利用率較高，但其補償效果稍差。在工業企業供電系統中，多采用集中補償與就地補償相結合的混合方式，而在商業與民用供電系統中，則多為集中補償方式。

4無功補償容量的確定無功補償裝置容量的確定與補償裝置的功能要求和補償目的密切相關，有的補償裝置用于補償用戶中的較為穩定的基本無功功率以期提高功率因數和降低系統能耗，有的補償裝置用來補償負荷無功的變化以期抑制電壓波動和閃變，還有的補償裝置用于改善線路末端的電壓水平，等等。下面給出補償容量的估算方法。（1）按提高功率因數確定補償容量設補償裝置安裝點負荷的平均有功功率為Pav，最大有功功率為Pmax，補償前的平均功率因數為cos

1，希望補償后的平均功率因數達到cos

2，則采用一組固定補償電容器時，補償容量按下式計算，但在負荷較輕時不應發生過補償。若希望短時（譬如半小時）平均功率因數都達到cos

2，則應采用分組自動投切的電容器組，此時總補償容量按下式計算，至于組數、每組容量和投切時段需要根據負荷無功的變化特性來確定。值得指出，將功率因數從0.9提高到1.0所需要的補償容量，與將功率因數從0.72提高到0.9所需要的補償容量相當，即高功率因數下的無功補償效益會顯著下降。因此，補償后的總功率因數不必都要達到或接近單位功率因數。（2）按抑制電壓波動和閃變確定補償容量電壓波動和閃變是由負荷的變動，尤其是無功負荷的變動所引起的。設負荷無功功率的最大變動量為

Qmax，允許補償后的最大電壓變動為dlim，可得：（3）按調整運行電壓來確定補償容量在配電線路的末端，加裝補償電容器可以提高末端設備的運行電壓。設裝設補償電容器后欲將線路末端電壓提高

U％，根據線路電壓降的近似計算公式（6-1），可按下式估算補償容量：式中，Sk為補償裝置安裝點的系統短路容量。

5無功補償裝置的類型按照補償裝置與被補償設備的連接關系，補償裝置分為并聯型和串聯型。并聯型無功補償裝置與被補償設備并聯連接于配電母線上，而串聯型無功補償裝置則與被補償設備串聯連接于配電母線上。按照補償裝置中調節機構的類型，補償裝置分為靜止開關型和機械開關型。靜止型補償裝置采用晶閘管等電力電子器件作為補償容量調節的機構，而機械開關型補償裝置則采用機械式開關（譬如交流接觸器、真空開關等）作為補償容量調節的機構。

無功補償裝置按其補償原理可劃分為無源型和有源型。無源補償裝置采用交流電容器或電抗器實現負荷無功功率的補償，而有源補償裝置采用電力半導體逆變器向電網注入無功補償電流來達到無功補償的目的。無源補償裝置等效為一個固定或可控的電容器或電抗器，有源補償裝置則等效為一個可控的無功電流發生器。并聯無源型補償裝置的補償原理是，在控制系統作用下，使補償裝置的等效電抗與負荷電抗大小相等而性質相反。并聯有源型補償裝置的補償原理是，在控制系統作用下，使無功電流發生器發出的無功電流與負荷無功電流大小相等而相位相反。二、常規無功補償裝置常規無功補償裝置是指采用機械開關實現電容器分組自動投切的無功補償裝置，這是目前低壓系統中應用最廣的一種無功補償裝置，其目的在于補償負荷無功，提高功率因數，降低供電系統的電能損耗。補償裝置由電容器組、電容器支路保護和投切開關、自動補償控制器等組成。圖中，斷路器作為過電流保護和檢修隔離開關，接觸器作為電容器的投切開關，由無功補償自動控制器控制，電容器作為感性無功功率的補償設備，自動控制器根據控制目標實現各組電容器的投切控制。常規無功補償裝置的系統結構如圖所示目前，無功補償自動控制器基本上全部采用單片機系統來實現。首先采集系統電壓和負荷電流，計算負荷有功功率、無功功率、功率因數、母線電壓、負荷電流和電壓的總畸變率等，根據控制判據發出電容器組的投切指令，同時完成用電負荷的監控。低壓無功補償控制器通常采用以無功功率為主、以電壓和諧波為約束條件的復合投切判據。以無功功率為判據，可以避免以功率因數作為判據時容易發生的電容器投切振蕩現象。當補償后電源側感性無功功率大于一組電容器容量時投入一組電容器，當補償后出現過補償時切除一組電容器。當母線電壓高于限值時，無條件切除一組電容器，當母線電壓低于限值時，則無條件投入一組電容器。當補償電容器發生諧波過流時，逐組切除電容器，以免發生電容器對諧波的放大現象。為了使各組電容器和開關的運行均衡化，避免個別電容器支路因頻繁投切而過早損壞，各組電容器之間宜采取循環投切的控制策略，即按照組別遵循“先投先切”的原則。

由于常規無功補償裝置采用機械式開關作為無功控制器件，因而存在如下缺點：

1）投入時刻不能精確確定，導致投入時在電容器中產生很大涌流；

2）切除時刻不能精確確定，導致切除時在開關器件觸頭處產生電弧；

3）投切速度慢，動態跟蹤補償性能差；

4）機械開關投切次數有限，壽命短。為了解決開關投切時刻不能精確控制的問題，目前在低壓系統出現了一種機械開關與晶閘管開關并聯協調控制的復合開關。當要投入電容器時，先開通晶閘管開關以實現電容器無涌流投入，稍后閉合機械開關以消除晶閘管通態損耗；當要切除電容器時，則先斷開機械開關，稍后在電流過零時刻斷開晶閘管開關以消除電弧。三、靜止無功補償器針對常規無功補償裝置的缺點，隨著電力電子技術的發展，出現了以晶閘管開關為代表的靜止無功補償器，實現了電容器投切時刻的準確控制，解決了投入涌流和切除電弧問題，實現了快速投切和補償無功的連續調節。靜止無功補償器SVC是一種基于電力電子技術的無功功率快速連續調節裝置。SVC分為電力系統用SVC和工業用SVC，兩者的電路結構是相同的，只是應用的目的和控制目標不同而已。電力系統用SVC主要用于穩定系統電壓和阻尼系統振蕩，而工業用SVC主要在于動態補償負荷無功、抑制電壓波動和閃變以及平衡三相不對稱負荷。工業用SVC裝置主要用于煉鋼電弧爐、軋鋼機等供電系統中。SVC有兩種基本的電路結構——晶閘管投切電容器TSC和晶閘管控制電抗器TCR。TSC只能有級地調節補償無功功率，而TCR可以連續調節補償無功功率。晶閘管投切電容器TSC的基本結構如右圖所示。利用晶閘管無觸點開關替代常規補償裝置中的機械式接觸器，實現并聯電容器的適時投切，跟蹤補償感性負荷的無功功率。由于晶閘管在電流過零時自然關斷，TSC自然實現了“切除無電弧”的目標。但要實現“投入無涌流”的目標，需要選擇晶閘管的初始開通時刻。下圖列出了電容器初始電壓不同的情況下使電容器投入電流最小的幾種可能時刻：

由圖可以看出，使電容器投入涌流最小的條件是：電容器在電源電壓瞬時值與電容器當前初始電壓相等的時刻投入電網。盡管通過投入時刻控制已經降低了投入涌流，但在實際系統中仍然在每個電容器支路串入阻尼電抗器，以降低可能產生的電流沖擊，也避免電容器與系統阻抗發生諧振。2TCR型靜止無功補償裝置利用晶閘管相位控制，可以連續調節電抗器支路在一個工頻周期中的接通時間，實現了補償無功功率的動態連續調節。由于負荷通常是感性的，因而，TCR常與固定電容器支路FC（FixedCapacitor）并聯，一起構成雙向無功補償裝置。圖6-31TCR型靜止無功補償裝置的主電路結構和無功調節原理a）主電路結構b）TCR無功電流調節原理示意圖圖6-31b所示為TCR無功電流調節原理圖，可以看出，調節晶閘管的觸發角

可以連續調節無功補償電流的大小，而且晶閘管觸發角

的控制范圍為90

~180

。

TCR支路電流是周期性的非正弦波，即TCR在系統中會產生一定的諧波干擾。從無功補償的角度，通常主要關注基波無功功率，因此，對TCR電流波形進行傅立葉變換，可以得到TCR基波無功電流與觸發角的關系，如下式所示：式中，

為晶閘管在半個基波周期的導通角，BTCR為TCR的等效基波電納。

BTCR與導通角

的關系如式：上述公式表明，TCR支路相當于一個連續可調的電抗器，控制晶閘管的觸發角就可以調節TCR的等效基波電納。由于三相TCR支路的每一相晶閘管的觸發角都可以單獨控制，因此，TCR與FC混合而成的TCR型靜止無功補償裝置具有平衡三相不對稱負荷的能力。設BFC表示FC的基波電納，則TCR+FC型SVC的等效基波電納為：右圖給出了TCR型SVC的伏安特性曲線，在

180

和

90

的不可控區間，TCR呈現出固定電容器或固定電抗器的特性。晶閘管不導通時，SVC只有電容器組工作，特性如OA，當晶閘管全導通時，電抗器特性為OD，合成特性如OC。在可控區段，根據母線電壓的高低，通過控制觸發角自動調節補償電納或補償電流的性質和大小，使SVC呈現出期望的補償特性如AB。當系統電壓高于參考電壓Uref

時，SVC吸收感性無功，使系統電壓下降；反之，SVC發出容性無功，使系統電壓上升。線段AB的斜率稱作調差率，是SVC穩壓特性的重要參數。除TCR與FC組合構成靜止無功補償裝置外，TCR也可與TSC組合構成更加靈活的靜止無功補償裝置。若采用多組TSC并聯支路，還可以降低TCR裝置的容量要求。

TCR型SVC的主要缺點是：產生較大的諧波，而且補償容量受到電源電壓的影響，當電源電壓較低時，補償容量明顯下降。通常，在FC支路串聯電抗器，構成抑制諧波的調諧濾波器。理論上講，三相平衡控制的TCR只產生（6n

1）次特征諧波。若SVC用于補償三相不平衡，則還將產生三倍次諧波。四、靜止同步補償器靜止同步補償器STATCOM是交流柔性輸電系統FACTS的一個重要組成部分。由于它將PWM控制的電壓源逆變器技術應用到無功補償領域，不需要大容量的電容、電感等儲能元件，因而大大發展了傳統的無功控制概念。與SVC相比較，STATCOM具有諧波含量少、控制能力強、同容量下占地面積小等優點。目前，國內已有兩套STATCOM裝置分別在河南和上海投入運行。應用于配電系統中的STATCOM則稱作配電系統靜止同步補償器DSTATCOM（DistributionSTATCOM），主要用于中低壓系統無功功率的動態補償。圖6-33DSTATCOM的原理結構它由電壓