无功补偿及谐波治理

1 无功补偿
1.1 什么是无功功率？
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。
无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。
无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。为了形象地说明这个问题，现举一个例子：农村修水利需要开挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么运到堤上呢?
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
1.2 无功功率的影响
无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：
(1)降低发电机有功功率的输出。
(2)降低输、变电设备的供电能力。
(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。
(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。
1.3 为什么要进行无功补偿？
从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。
1.4 什么是功率因数，它的基本计算方法
我们将电网中的有效功率计为P，单位是KW，将无功功率计为Q，单位是KVar。总的视在功率S的值就是无功功率和有效功率的平方和再开根号。也就是S的平方等于P的平方与Q的平方和。换种说法，如果看成直角三角形，S是斜边，P和Q是两个直角边。
功率因数（Power Factor，简称P.F.）=P/S
直角三角形中P和S的夹角就叫做功率因数角，如果用φ表示的话，功率因数P.F.=P/S=cosφ。

1.5 无功补偿的原理

无功补偿，补偿的是系统提供的无功分量。一般情况下，电力公司或者电力局对某个工矿企业进行功率因数的考察，要求该企业的功率因数要达到0.9或者0.95以上之类。功率因数高于0.9或者0.95时，对该企业的用电有优惠价格，如果低于该数值的，就要进行罚款。
那么这个考核点在什么地方呢？一般都是在变压器的二次侧。打个比方，电力系统接入工矿企业的是10KV/400V的变压器，或者35KV/10KV的变压器，对于功率因数的考核点，前者是在400V侧，后者是在10KV侧。
从企业的角度看，企业的生产设备、照明设备等各类电力设备，它们所需要的功率因数是一定的，并不因为使用环境的变化而发生变化。打个比方，某个机床，它的额定功率是3KW，功率因数是0.7。那么简单理解起来，无论它放在什么环境下，它的输出功率（或者说视在功率）都是3KW，功率因数都是0.7，也就是说它的有功功率都是2100KW。当然因为系统电压或者电流的波动视在功率可能会有些变化，我们为了分析的简便，就使用电压不变的情况来进行分析。
对于企业来说，它的总视在功率是不变的，功率因数也是不变的，它的有功功率也是不变的。也就是说，上图中的P是不变的。变化的是无功功率Q。实际上对于企业来说，它的无功功率Q也是不变的，只不过原来都是由电力系统来提供，现在则有一部分由企业自行装备的电容器来提供。
由上图来看，当企业增加了补偿装置后，由于运行设备所需要的无功有一部分由QC来提供了，也就是说从电力系统的考核点来看，它提供的Q减少了。因此电力系统提供的视在功率S也减小了，对应的功率因数=P/S也就提高了。
那么对于企业而言，进行无功补偿有哪些具体的好处呢？
首先，是提高了功率因数，获得优惠电费价格，至少可以避免被电力局罚款；
其次，降低了用电量，由于供电局对企业进行计费的是视在功率，由上图看，企业用电设备相同，而由电网提供的视在功率减少，也为企业节省了电费；
第三，降低了视在电流，这个也很好理解，系统电压一定的情况下，视在功率的减小，也就意味着视在电流的减小；
第四，提高了变压器的使用裕度；
第五，提高了电网电压。
正是因为上述的原因，对于企业而言，进行无功补偿是相对直接的经济效益的。

1.6 谐波的概念、产生源和危害
电力系统中除基本波(50/60Hz)外，任一周期性之讯号，都称为谐波。
谐波种类：主要分为整数谐波如2nd, 3rd, 4th……，整数谐波又分为偶次谐波如2nd, 4th, 6th……和奇次谐波如3rd, 5th, 7th……；非整数谐波如2.3th, 5.6th等；次级谐波指阶数小于1的谐波。
产生谐波的设备，如整流器：可以将交流电源通过电力电子模组转变为直流电，在此过程中就会产生谐波,如我们现在大量使用的直流电机，UPS，电镀、电池充电机设备……
另外一种比较普遍使用的又会产生谐波的设备是变频器，通过改变频率的方式来调整电动机的转速，其工作架构中实际上也是含有整流模块的，也会产生谐波。
产生谐波的设备有很多种，基本上是不胜枚举的，简单地理解起来通过整流模块将交流电转换为直流电的过程中就会产生谐波，而根据整流模块中晶闸管或者二极管的数量可以计算出负荷产生的谐波阶次。我们现在一般谈到谐波治理，一般工厂内都要求治理5次、7次、11次、13次谐波，都是基于大量使用的六脉冲整流设备而言的。
谐波可能对整个电力系统产生很大甚至是灾难性的危害，举例来说。
比如对变压器，谐波电流会增加变压器的铜损和漏磁损，谐波电压会增加变压器的铁损，谐波会增加变压器的工作噪音和温升等；
比如对电缆，谐波电流可能造成线路过载过热，损害导体绝缘体，同时高频谐波可能造成集肤效应降低电缆的额定载流；
又比如对控制系统，谐波电流会造成电压畸变，导致电压过零点漂移，改变了线电压之间的位置点，使得控制系统判断错误，误操作等；
对于无功补偿的电容器，谐波电流可能造成电容器的过电流，造成系统的并联谐振、串联谐振，快速放大谐波电流、电压，造成电容器故障。

1.7 谐波和无功补偿装置的关系
正如前文所说，国家标准的要求也罢，企业自身的需求也罢，都开始逐渐对无功补偿装置的装备提出了一定的要求。但是在实际应用中，很多企业的无功补偿装置应用之后经常出现电容器烧毁、跳闸等各种问题。究其原因，在给企业提供了无功功率的同时，对无功补偿装置本身未进行保护或者保护措施不当都会导致无功补偿装置问题的出现。
无功补偿装置的核心部件是电容器，电容器本身的选型要根据用户自身所需求的功率因数来确定，并不是说功率因数越高越好。因为当无功功率补偿到一定量，比如P.F.达到0.95之后，要提高功率因数到0.96，所需要投入的无功设备其价值远远超过功率因数提高0.01所能够为企业带来的电费优惠、用电节省的价值，此时从企业角度而言，投入产出比显然不符合企业经济上的需求。同时，由于电容器补偿都有其单体大小的限制，同样的容量单体容量大的比单体容量小的要价格便宜，这就使得生产厂家推荐、用户接受的趋向于大容量化电容器。带来的问题在于单体容量大时，投入补偿的每段容量也随之增大，当补偿容量超过系统所需无功时，可能会造成过补的情况。
扯的有点远，回到正题上。从实际应用而言，对无功补偿装置来说，电容器受到影响造成的装置失效或损害是无功补偿设备出现问题最可能的原因。
笔者来分析一下单纯使用电容器补偿时，系统可能会发生的一些情况。
1.7.1 电容器过电流
当系统负载产生谐波时，其等效电路相当于定电流源的变压器、电容器并联电路。（绘图不是很方便，如果有兴趣的朋友，可以短消息发我MSN，大家一起探讨）。随着谐波阶次的增加，从阻抗来说，变压器阻抗越来越大而电容器阻抗越来越小。谐波分流时流入电容器的也就越来越多。由于电容器投入运行时的特点是满负荷运行，考虑到谐波分流的影响，电容器投入运行时的电流超过了额定电流，当谐波电流加上电容器满载电流的数值超过电容器额定电流的1.3倍时，电容器将迅速发生故障。即使达不到额定电流的1.3倍，长期运行在超过额定电流的情况下，电容器的使用寿命也将大大减少，造成电容器的衰减，对系统无功补偿效果影响巨大。
1.7.2 系统并联谐振
同样类似1.7.1中所讨论的定电流源的并联电路，一般而言，在基波情况下，变压器阻抗是非常小的，电容器阻抗相对较大。随着系统频率的升高，变压器的阻抗将不断增大，电容器阻抗不断减小，在某个频率点时，将出现变压器阻抗与电容器阻抗相等的情况。在此情况下，系统阻抗将无限增大，由于是定电流源，对于电容器而已，系统电压也将无限增大，造成电容器的过电压，电容器迅速损坏。当然这个频率点也就是我们通常说的系统谐振点，并不一定刚好就是系统谐波的频率点，比如系统中有5次，7次谐波，系统谐振点可能是在265HZ，看起来不会造成并联谐振，但是在靠近系统谐振点的位置，5次的谐波也会被迅速放大，其影响通过计算可以得知也是非常大的，可能会将5次谐波放大7倍甚至10倍以上。
1.7.3 系统串联谐振
有人说，我们工厂使用的都是线性设备，我们没有谐波源的存在，所以在进行无功补偿时不需要考虑谐振问题。问题是即使工厂自身不产生谐波，其上级电网中也有非常大的可能性会存在谐波电流（为什么？因为不太可能是专线，同条母线上其它的用户会有谐波向上级电网排放）。此时企业的变压器、电容器与上级电网就等效形成了一个定电压源的串联电路。如前所述，当频率不断增大时，变压器阻抗不断增大，电容器阻抗不断减小，当某一频率时，变压器阻抗与电容器阻抗相等，一个是感性的，一个是容性的，数值相等方向相反，造成系统短路，此时对电容器而言，谐波电流无限大，将造成电容器击穿。同样的，系统谐振点位置并不一定完全等同于系统谐波分流的频率，但是只要系统谐振点与系统谐波分流的频率接近时，谐波分流将迅速放大，造成电容器过电流。
正是因为上述的一些问题的存在，所以就无功补偿而言，单纯的使用电容器组来作为无功补偿是非常危险的，所以个人觉得，不少的电容器厂商和企业谈补偿的时候只卖电容器组，不谈其它内容是很不负责的做法。
现在通用的对无功补偿装置进行保护的做法是在电容器组前串联电抗器。当电抗器串联上后，由于电抗器是感性的，电容器是容性的，随着频率的增加，电抗器阻抗增加，电容器阻抗减小，电抗电容器组的总阻抗不断降低。通过设置电抗器的特性，可以根据系统需求目的的不同设置成谐波滤波器组、调谐电容器组等各种不同的电抗电容器组。在这里需要提出的是，根据笔者的经验，由于生产工艺或者现场量测的情况，也不一定是所有的电容电抗器组都是很安全的。比如说，某企业设计出一个谐波滤波器，目的是要吸收7次谐波。但是由于生产工艺不合格或者选型不合理，谐波滤波器的谐振点应该设置在349HZ的，变成了360HZ，吸收效果就会大打折扣。也可能该系统中量测时没有满载运行，实际系统中也存在大量的5次谐波，那么对这个谐波滤波装置而言也是效果比较差甚至存在一定危险的。具体的分析后面会继续探讨。

1.8 调谐电容器组与谐波滤波电容器组

1.8 调谐电容器组与谐波滤波电容器组
在笔者最近接触的一些项目中，遇到了一些有意思的问题，实际上也反映了当前终端用户对于无功补偿情况下加装电抗器的目的不明确的现象。结合这些问题，笔者将把调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别加以分析，有兴趣的朋友可以一起来探讨一下。
为了分析方便，我们假定系统状态为1000KVA,10KV/0.4KV，5%的变压器，未投入电容器组前的功率因数为0.6，二次侧的系统电流1200A。现在用户希望加装无功补偿电容器组，以达到功率因数0.9的目的。
我们首先考虑需要补偿的电容器组的容量问题。系统的总输出功率为1.732UI=831KW，有功功率为0.6x831=499KW，当考察点的功率因数提高到0.9时，需要补偿的无功功率为423Kvar（具体计算过程可以对应前面的图来进行）。假定用户采购了400V480Kvar的电容器组。
如果由于该系统负载会产生谐波电流，并且以5次为主，切除电容器组后测量的谐波总畸变率为22%，其中5次谐波的电流总畸变率为20%。那么这个时候单独安装电容器组就可能存在谐波放大的危险。
计算变压器的阻抗为X1=400x400/1000000x0.05=0.008欧姆，电容器组的阻抗X2=400x400/480000=0.333欧姆，对应5次谐波情况下的变压器阻抗为0.04欧姆，电容器阻抗为0.067欧姆。由于电容器的阻抗是容性的，变压器阻抗是感性的，在计算时两个阻抗需要取不同的正负号。考虑到5次谐波电流总畸变率20%，基波电流1200A，5次谐波电流值为240A。此时流入电容器组的电流为355A，流入变压器的电流为595A。可见由于单独的使用电容器组进行无功补偿，实际上放大了5次谐波电流。
此时，用户提出了这样的一个要求，我们来对现有电容器组进行一下改造吧，防止谐波电流放大，吸收5次谐波，降低谐波危害。问题是这样的要求，通过一个技术改造能够完全实现吗？这就涉及到调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别了。
从设计目的上说，调谐电容器组的主要目的还是在于实现系统无功补偿的目的，而谐波滤波电容器组的主要目的在于吸收系统谐波。根据两者的设计目的的不同，加装的电抗器也有所不同。
从调谐电容器组来说，当前一般常见的电抗器有6%、7%、14.8%的电抗器，这里的各个数值都是针对着电容器组的阻抗而言的，通过计算，我们可以得到这些调谐电容器组的系统谐振频率在201Hz/189Hz/130Hz。由于随着系统频率的不断升高，调谐电容器组的电抗值不断增大而电容值不断减少，当系统频率高于调谐频率之后，整个的调谐电容器组的阻抗呈现感性特征，也就不会与变压器形成谐振，从而避免了谐波电流经过谐振放大的可能。换个角度说，6%、7%、14.8%的电抗器依次针对的是系统的5次、4次与3次谐波情况。
而从谐波滤波电容器组的设计来说，它的最大目的是要尽可能的吸收系统谐波，比如我们这个案例中的5次谐波，频率是250Hz，为了达到最大的吸收谐波的目的，势必要使得电容器与电抗器的系统电阻在250Hz附近最小化，这样电流向低电阻的地方流动，可以达到吸收系统谐波的目的。那么在设计时，我们可能就需要把电容器组与电抗器的谐振点设计在249Hz，此时我们需要加装的电抗器特征就变成了4%。
通过上述的分析我们就可以看出要通过加装电抗器来同时实现谐波吸收的最大化与无功补偿的最大化是很困难的，做个不恰当的比方，同样一杯水（电容器组），你又要倒入A杯（无功补偿），又要倒入B杯（谐波吸收），两者是很难同时兼顾的。当然我们不是说调谐电容器组就不能吸收系统谐波，谐波滤波电容器组就不能补偿无功，只是两者的侧重点和目的不完全一致而已。