滤波无功补偿技术的发展及应用
作者: 格林普斯
2022-08-19
无功补偿技术的发展及应用
关键词：滤波、无功补偿
本文主要内容概况：
1. 无功补偿技术及产品效能
2. 谐波治理与无功补偿措施
3. 现有滤波补偿装置
4. 工程应用经验及注意事项
正文
1. 无功补偿技术及产品效能
1.1 无功功率：
电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量转换而占有电网容量叫做无功。
1.2 谐波：
谐波是指电网中非基波（50HZ中国）的其他频率的电流或电压。谐波亦属于无功类别；谐波来源：非线性负载。高次谐波，间谐波；
1.3 功率因数
有功功率与视在功率之比，称之为功率因数。
功率因数＝位移因数×畸变因数
位移因数：负载电流与电源电压的相位差角（负载阻抗角）的余弦。
畸变因数：基波有效值与总有效值之比
正弦条件：功率因数＝负载阻抗角的余弦。纯电阻时为1；
畸变条件：电源正弦，负载电流畸变时，即使纯电阻负载，功率因数≠1。如：单相半波整流电路带电阻负载
1.4 无功功率的负面影响
无功功率在电压、电流和线损产生负面的影响。
电压：感性无功使电压下降，容性无功可使电压升高
电流：产生无功电流分量，使视在电流增加
线损：电流有效值增加，导致线路和变压器等损耗增大，变压器利用率降低
1.5 谐波的危害
设备（如电容器、线路、变压器等）过流；附加损耗；计量误差；继保误动作；通讯干扰；谐波量过大引起电网振荡。
1.6 谐波与无功补偿的作用
对谐波与无功补偿有如下作用：
降低视在电流，提高负载能力；
降低线损，节能；
改善不平衡；
提高变压器利用率；
稳定网压；
改善供电质量；
功率因数指标达标，避免电力部门罚款。
2 谐波治理与无功补偿措施
2.1 谐波治理措施
a）LC滤波：单调谐、双调谐
特点：简单、造价低、容量大、兼有基波容性无功补偿能力、易产生谐振、补偿支路只能滤单次谐波
b）有源电力滤波器APF：电力电子逆变技术
特点：复杂、成本高、容量小、无谐振危险、可同时补偿各种谐波
2.2 无功补偿措施
一般情况下，负载总是感性的，因而所需的补偿电流为容性；
a）集中补偿：一般在高压进线位置加补偿，补偿容量大，点少，投资少，主要解决功率因数指标达标；对低压网内的无功潮流和线损无改善作用。
b）就地补偿：补偿点靠近负荷，单机补偿容量小，所需补偿点多，投资多，可改善无功潮流，降低线损，节能、增容效果
2.3 无功补偿装置的分类方法
a）按补偿装置运动情况分：旋转补偿，静止补偿。
b）按响应时间分：静态无功补偿，动态无功补偿。
具有动态无功补偿性能的静止无功补偿装置是当前无功补偿的主流趋势。
2.4 各种谐波治理与无功补偿装置的优点和特点
a）固定电容器补偿——无功补偿
优点：简单，投资少；
缺点：无功补偿电流不能随负载变化而调整，
但随电源电压同向变化，易发生谐振
b）固定LC滤波器——谐波滤波
可滤除谐波谐振频率，对基波呈容性，于静态补偿
c）接触器投切电容补偿
将电容器分为若干组，用接触器来选择投切相应的电容器组，实现无功补偿量的调节。
优点：可根据负载需要补偿
缺点：电流冲击，投切需要延时过程，噪声抑制冲击：串联抗浪涌电抗
投切需约30S延时，静态补偿，属淘汰产品。
d）新一代复合开关投切电容补偿（SLFK）
用复合开关代替接触器投切电容器组，实现无功补偿量的调节。
目标：利用晶闸管控制电容投切，运行稳定。
优点：电流冲击减小，不发热，无耗能，无噪音，属静态补偿。
e）晶闸管投切电容补偿（TSC）
用晶闸管控制投切电容器组，实现无功补偿量的调节。因为晶闸管投切速度快（US级），称“动补”。
优点：快速动态调节补偿量，电流冲击小，投切延时短，无噪声。
缺点：无谐波抑制能力，但造价比以上投切开关贵。属动态补偿。
f）晶闸管投切滤波器补偿（TSF）
在TSC补偿支路采用LC单调谐（需要按现场工况设计），成为TSF装置，可快速调节无功补偿量的大小，也为“动补”。
优点：快速动态调节补偿量，适应谐波工况，电流冲击小，投切延时短，无噪声。
缺点：造价比TSC高。
属动态补偿，考虑谐波因素而专门设计，技术已成熟，正在被推广应用。
g）有源滤波补偿装置（SVG或APF）
原理：SVG实时检测无功大小（APF检测谐波），利用电力电子逆变技术产生一个与被补偿对象大小相等而方向相反的电流，相互抵消，功率因数可接近1。
优点：动态响应更快，可适应谐波工况，补偿量不受电源电压影响，无谐振危害，无噪声，占地面积小。
缺点：造价高，自身损耗大。
属动态补偿，推广应用尚有待时日。
h）TCR型SVC装置：TCR＋FC
原理：晶闸管可控电抗器与固定电容器（实际常为5，7，11，13等各次滤波器）配合，利用晶闸管的导通角控制电抗器的电抗量，实现无功的快速动态调节。
优点：平滑无级差，动态响应快，可适应谐波工况。
缺点：装置本身产生谐波。
一般应用10KV、35KV高压系统动态补偿，国内已开始推广应用。
3. 市场主流滤波补偿装置
3.1 谐波补偿
a）LC滤波装置——以单调谐、双调谐为主，高低压系统均采用
b）有源滤波器——少量工程应用
3.2 无功补偿
a）无功补偿——以电容补偿为主（TSC、TSF），少量SVG。
b）无功补偿——静补为主，TCR逐步推广，少量STATCOM。
3.3 现有市场TSC装置的技术方案
检测方法：功率因数、无功功率、无功电流检测
投切控制：循环、编码、微机实时计算，（响应时间可达40MS内）
投切开关：复合开关（原则上不属动补）、固态继电器、双硅反并联、一硅一二极管
运行方式：三相共补，分相补偿
补偿插入：前馈，后馈
投运方式：过零投切，电容预充电
电流冲击：可实现无暂态过程投切
容错运行：故障支路退出，正常支路运行
保护方案：短路，过流，晶闸管故障，超温，欠压，过压等
建议选择装置：
检测方式：无功电流检测
投切开关：双硅并联，或一硅一二极管
响应时间：应能达到40MS至100MS以内
冲击电流：尽可能小
特别注意：
在系统含有较多谐波的条件下，应特别注意TSC装置的抗谐波能力。TSC装置补偿支路的电容对谐波具有放大作用：在谐波含量较大时，应选择TSF装置；TSF装置补偿支路采用LC滤波器，具有一定的谐波吸收能力，但LC参数设计必须与现场谐波特征相适应。TSF装置补偿支路的投切需要按特殊要求控制，防止发生振荡；设计时应注意谐波对TSF装置对补偿支路电容电压和电感电流的影响；TSF装置的滤波柜一般需要专门设计
3.4 动态无功补偿的发展趋势
a) 电容器补偿方案的特点：
优点：简单，可靠，便宜，自身损耗小
缺点：补偿量受电源电压影响，有谐振危险，容易引起谐波放大，占地大。
b) 静止无功发生器SVG
优点：补偿性能优，不受电源电压影响，无谐振危险，占地小，无谐波放大
缺点：造价高，自身损耗大，补偿容量小，
SVG装置是今后无功补偿的发展趋势。
4 工程应用经验及注意事项
4.1 无功补偿工程应用中出现的技术问题
电容器大量损坏；
补偿量衰减快；
欠补和过补时常发生；
设备投运引发振荡；
补偿装置投入运行有噪音；
电气着火等恶性事件发生。
4.2 工程注意事项
集中补偿和就地补偿优化结合；
充分了解补偿对象的工况、电能品质、补偿容量需求；
根据补偿对象，选择合适的补偿装置；
恰当的工程设计。
4.3 补偿方式及其布局
根据系统负荷的分布情况，合理选择集中补偿或就地补偿。
选择原则：
对无功消耗量大的负荷采用就地补偿，避免较大无功电流在线路流动产生较大损耗，有利于降低线损；
对于较分散的小用电负荷则选择集中补偿，具有较好的经济性。
4.4 补偿装置的选择
应根据系统的谐波含量情况，合理选择TSC装置或TSF装置。
选择原则：
对谐波含量不大的系统，选用TSC装置可节约投资；
对谐波含量较大的系统，应考虑选择TSF装置，防止谐波放大和补偿电容器过载损害。
4.5 补偿装置容量的设计原则
满负荷时能完全补偿，而空载时不发生过补偿现象。
4.6 高压无功补偿装置
对于高压系统来说，根据高压系统负荷特点，目前国内仍有静态补偿和动态补偿两种不同的方式选择。
a）静态补偿方式：
针对负荷变化不频繁或波动幅度不大的场合，可选用静态补偿，如：LC滤波器、真空接触器（断路器）投切电容（滤波器）等
注意防止过无功补偿对网压升高的影响。
b）动态补偿方式：
针对负荷快速大幅度变化场合，应选用动态补偿，如：TCR、STATCOM、低补高等方案：
TCR：国内已有多家公司生产，较多应用于电弧炉的补偿；
TSC：国内尚不普及，国外有少量应用；
STATCOM：以输电系统大型工程应用为主；
低补高：无技术障碍，成本因素。
关键词：滤波、无功补偿
本文主要内容概况：
1. 无功补偿技术及产品效能
2. 谐波治理与无功补偿措施
3. 现有滤波补偿装置
4. 工程应用经验及注意事项
正文
1. 无功补偿技术及产品效能
1.1 无功功率：
电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量转换而占有电网容量叫做无功。
1.2 谐波：
谐波是指电网中非基波（50HZ中国）的其他频率的电流或电压。谐波亦属于无功类别；谐波来源：非线性负载。高次谐波，间谐波；
1.3 功率因数
有功功率与视在功率之比，称之为功率因数。
功率因数＝位移因数×畸变因数
位移因数：负载电流与电源电压的相位差角（负载阻抗角）的余弦。
畸变因数：基波有效值与总有效值之比
正弦条件：功率因数＝负载阻抗角的余弦。纯电阻时为1；
畸变条件：电源正弦，负载电流畸变时，即使纯电阻负载，功率因数≠1。如：单相半波整流电路带电阻负载
1.4 无功功率的负面影响
无功功率在电压、电流和线损产生负面的影响。
电压：感性无功使电压下降，容性无功可使电压升高
电流：产生无功电流分量，使视在电流增加
线损：电流有效值增加，导致线路和变压器等损耗增大，变压器利用率降低
1.5 谐波的危害
设备（如电容器、线路、变压器等）过流；附加损耗；计量误差；继保误动作；通讯干扰；谐波量过大引起电网振荡。
1.6 谐波与无功补偿的作用
对谐波与无功补偿有如下作用：
降低视在电流，提高负载能力；
降低线损，节能；
改善不平衡；
提高变压器利用率；
稳定网压；
改善供电质量；
功率因数指标达标，避免电力部门罚款。
2 谐波治理与无功补偿措施
2.1 谐波治理措施
a）LC滤波：单调谐、双调谐
特点：简单、造价低、容量大、兼有基波容性无功补偿能力、易产生谐振、补偿支路只能滤单次谐波
b）有源电力滤波器APF：电力电子逆变技术
特点：复杂、成本高、容量小、无谐振危险、可同时补偿各种谐波
2.2 无功补偿措施
一般情况下，负载总是感性的，因而所需的补偿电流为容性；
a）集中补偿：一般在高压进线位置加补偿，补偿容量大，点少，投资少，主要解决功率因数指标达标；对低压网内的无功潮流和线损无改善作用。
b）就地补偿：补偿点靠近负荷，单机补偿容量小，所需补偿点多，投资多，可改善无功潮流，降低线损，节能、增容效果
2.3 无功补偿装置的分类方法
a）按补偿装置运动情况分：旋转补偿，静止补偿。
b）按响应时间分：静态无功补偿，动态无功补偿。
具有动态无功补偿性能的静止无功补偿装置是当前无功补偿的主流趋势。
2.4 各种谐波治理与无功补偿装置的优点和特点
a）固定电容器补偿——无功补偿
优点：简单，投资少；
缺点：无功补偿电流不能随负载变化而调整，
但随电源电压同向变化，易发生谐振
b）固定LC滤波器——谐波滤波
可滤除谐波谐振频率，对基波呈容性，于静态补偿
c）接触器投切电容补偿
将电容器分为若干组，用接触器来选择投切相应的电容器组，实现无功补偿量的调节。
优点：可根据负载需要补偿
缺点：电流冲击，投切需要延时过程，噪声抑制冲击：串联抗浪涌电抗
投切需约30S延时，静态补偿，属淘汰产品。
d）新一代复合开关投切电容补偿（SLFK）
用复合开关代替接触器投切电容器组，实现无功补偿量的调节。
目标：利用晶闸管控制电容投切，运行稳定。
优点：电流冲击减小，不发热，无耗能，无噪音，属静态补偿。
e）晶闸管投切电容补偿（TSC）
用晶闸管控制投切电容器组，实现无功补偿量的调节。因为晶闸管投切速度快（US级），称“动补”。
优点：快速动态调节补偿量，电流冲击小，投切延时短，无噪声。
缺点：无谐波抑制能力，但造价比以上投切开关贵。属动态补偿。
f）晶闸管投切滤波器补偿（TSF）
在TSC补偿支路采用LC单调谐（需要按现场工况设计），成为TSF装置，可快速调节无功补偿量的大小，也为“动补”。
优点：快速动态调节补偿量，适应谐波工况，电流冲击小，投切延时短，无噪声。
缺点：造价比TSC高。
属动态补偿，考虑谐波因素而专门设计，技术已成熟，正在被推广应用。
g）有源滤波补偿装置（SVG或APF）
原理：SVG实时检测无功大小（APF检测谐波），利用电力电子逆变技术产生一个与被补偿对象大小相等而方向相反的电流，相互抵消，功率因数可接近1。
优点：动态响应更快，可适应谐波工况，补偿量不受电源电压影响，无谐振危害，无噪声，占地面积小。
缺点：造价高，自身损耗大。
属动态补偿，推广应用尚有待时日。
h）TCR型SVC装置：TCR＋FC
原理：晶闸管可控电抗器与固定电容器（实际常为5，7，11，13等各次滤波器）配合，利用晶闸管的导通角控制电抗器的电抗量，实现无功的快速动态调节。
优点：平滑无级差，动态响应快，可适应谐波工况。
缺点：装置本身产生谐波。
一般应用10KV、35KV高压系统动态补偿，国内已开始推广应用。
3. 市场主流滤波补偿装置
3.1 谐波补偿
a）LC滤波装置——以单调谐、双调谐为主，高低压系统均采用
b）有源滤波器——少量工程应用
3.2 无功补偿
a）无功补偿——以电容补偿为主（TSC、TSF），少量SVG。
b）无功补偿——静补为主，TCR逐步推广，少量STATCOM。
3.3 现有市场TSC装置的技术方案
检测方法：功率因数、无功功率、无功电流检测
投切控制：循环、编码、微机实时计算，（响应时间可达40MS内）
投切开关：复合开关（原则上不属动补）、固态继电器、双硅反并联、一硅一二极管
运行方式：三相共补，分相补偿
补偿插入：前馈，后馈
投运方式：过零投切，电容预充电
电流冲击：可实现无暂态过程投切
容错运行：故障支路退出，正常支路运行
保护方案：短路，过流，晶闸管故障，超温，欠压，过压等
建议选择装置：
检测方式：无功电流检测
投切开关：双硅并联，或一硅一二极管
响应时间：应能达到40MS至100MS以内
冲击电流：尽可能小
特别注意：
在系统含有较多谐波的条件下，应特别注意TSC装置的抗谐波能力。TSC装置补偿支路的电容对谐波具有放大作用：在谐波含量较大时，应选择TSF装置；TSF装置补偿支路采用LC滤波器，具有一定的谐波吸收能力，但LC参数设计必须与现场谐波特征相适应。TSF装置补偿支路的投切需要按特殊要求控制，防止发生振荡；设计时应注意谐波对TSF装置对补偿支路电容电压和电感电流的影响；TSF装置的滤波柜一般需要专门设计
3.4 动态无功补偿的发展趋势
a) 电容器补偿方案的特点：
优点：简单，可靠，便宜，自身损耗小
缺点：补偿量受电源电压影响，有谐振危险，容易引起谐波放大，占地大。
b) 静止无功发生器SVG
优点：补偿性能优，不受电源电压影响，无谐振危险，占地小，无谐波放大
缺点：造价高，自身损耗大，补偿容量小，
SVG装置是今后无功补偿的发展趋势。
4 工程应用经验及注意事项
4.1 无功补偿工程应用中出现的技术问题
电容器大量损坏；
补偿量衰减快；
欠补和过补时常发生；
设备投运引发振荡；
补偿装置投入运行有噪音；
电气着火等恶性事件发生。
4.2 工程注意事项
集中补偿和就地补偿优化结合；
充分了解补偿对象的工况、电能品质、补偿容量需求；
根据补偿对象，选择合适的补偿装置；
恰当的工程设计。
4.3 补偿方式及其布局
根据系统负荷的分布情况，合理选择集中补偿或就地补偿。
选择原则：
对无功消耗量大的负荷采用就地补偿，避免较大无功电流在线路流动产生较大损耗，有利于降低线损；
对于较分散的小用电负荷则选择集中补偿，具有较好的经济性。
4.4 补偿装置的选择
应根据系统的谐波含量情况，合理选择TSC装置或TSF装置。
选择原则：
对谐波含量不大的系统，选用TSC装置可节约投资；
对谐波含量较大的系统，应考虑选择TSF装置，防止谐波放大和补偿电容器过载损害。
4.5 补偿装置容量的设计原则
满负荷时能完全补偿，而空载时不发生过补偿现象。
4.6 高压无功补偿装置
对于高压系统来说，根据高压系统负荷特点，目前国内仍有静态补偿和动态补偿两种不同的方式选择。
a）静态补偿方式：
针对负荷变化不频繁或波动幅度不大的场合，可选用静态补偿，如：LC滤波器、真空接触器（断路器）投切电容（滤波器）等
注意防止过无功补偿对网压升高的影响。
b）动态补偿方式：
针对负荷快速大幅度变化场合，应选用动态补偿，如：TCR、STATCOM、低补高等方案：
TCR：国内已有多家公司生产，较多应用于电弧炉的补偿；
TSC：国内尚不普及，国外有少量应用；
STATCOM：以输电系统大型工程应用为主；
低补高：无技术障碍，成本因素。
