無功補償裝置發展歷史

文章摘要：由于中國的工業起步較晚，產生高次諧波的電力設備不多，電力設備對電能質量的要求也不高，故在十幾年以前的電氣設計當中，很少設計到諧波，更不用說要做諧波處理了。但是隨著我國工業的發展，不管是工業還是民用上，各種各樣的電力設備出現如工業中的整流器、

由于中國的工業起步較晚，產生高次諧波的電力設備不多，電力設備對電能質量的要求也不高，故在十幾年以前的電氣設計當中，很少設計到諧波，更不用說要做諧波處理了。但是隨著我國工業的發展，不管是工業還是民用上，各種各樣的電力設備出現如工業中的整流器、家庭中的空調、微波爐等等，而且現在的電力設備對電能質量要求越來越高，那么諧波的處理在今天就顯得尤為重要。
   諧波對公用電網和其他系統的危害: 使公用電網中的元件產生附加的諧波損耗, 影響各種電氣設備的正常工作, 引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振, 導致繼電保護自動裝置和電氣測量儀表出錯, 對鄰近的通信系統產生干擾
說簡單直接一點,有源濾波器就是需要有電源輸入,需要提供額定的電壓,或者有一些電調濾波器可以根據輸入電壓的變化決定濾波器的通帶。
諧波計算是一個非常困難的問題，往往工程計算的諧波計算值和實測的相差甚遠（因為電力系統中的諧波源太多和不明確），因此在很多工程前期的電氣設計當中，有源電力濾波器的選擇不能依靠工程計算的方法選擇，頂多只能作為一個參考，只有等到實際運行過后，通過實測系統中的諧波值，具體選擇有源電力濾波器，但如果我們知道系統中的諧波源或者有參考值，我們就可以通過計算，得到相對準確的數據來選擇有源電力濾波器。
 
 
 
隨著電力電子技術的發展，非線性負載的使用越來越普遍，產生的諧波對電網的危害日益嚴重，若不加以控制，將會嚴重影響整個電網的安全運行，所以對電網諧波進行補償越來越重要。有源電力濾波器是一種新型的諧波及無功電流動態補償裝置，與傳統的無源LC電力濾波器相比，具有響應速度快、補償效果好、動態補償等優點。
  
 
 
 
一、大趨勢——節能與供電質量       
1、電力需求總量短缺、局部過剩；非線性、沖擊性和不平衡用電負荷大量增加，使電網的電能質量惡化；基于計算機、微電子控制技術的設備、裝置和生產線不斷增加，使電網中許多負荷對電能質量異常敏感，電能質量某些指標的短時間（可以短至1～2周波，即20～40 ms）不正常就會造成嚴重事故，一次損失可達百萬美元數量級。用電系統的優化、安全運行與節能降耗成為主題；節能并不是要求用能單位通過降低產能減少能源消耗量，而是要求用能單位加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理以及環境和社會可以承受的措施，更加有效、合理地利用能源�！豆澞芊ā穼λ�有用能單位的節能管理制度，要求“制定并實施節能計劃和節能技術措施”，“強制性節能標準”（包括用能產品、設備能源效率標準和高耗能產品的單位產品能耗限額）     
 2、節能投資效果遠高于能源開發投資節電與發電投資對比：節電能力投資-1000~2000元/kW；新增煤炭供應、發電及輸配投資：～10000元 / kW，新增發電投資是節電投資的5～10倍 ；      
3、未來國內節能的主要途徑為：采用變頻調速等新技術促進電機節能；改善電能質量，提高電能的利用率；大力發展特高壓電網；加強現有電廠設備改造，提高能源使用效率；積極鼓勵新能源開發利用。      
4、改善電能質量，對于“節能減排”來說意義重大，特別適用于冶金、電力、煤礦、有色金屬、電氣化鐵路等重點耗電行業和用電大戶，有針對性地抵消電力傳輸系統中的無功功率和諧波，提高電網的傳輸能力，節能降耗。
二、影響因素  
1、政策環境  諧波治理與環境污染治理相似,政策法規具有重大的推動作用.目前,我國針對諧波治理,頌布的標準和規定主要有：  1984年《電力系統諧波管理暫行規定》  1993年《電能質量，公用電網諧波》GB/T-14549-93標準 2007年〈電網運行規則（試行）〉  另外，〈供電營業規則》，《電網調度管理條例》對諧波治理也作出了相關的規定。  相應標準和規定的出臺，表明了國家對諧波治理逐漸開始重視，也起到了一定的促進作用，隨著諧波污染的惡化，國家將加在對諧波污染的處罰力度，并出臺更為明確的法規。  
2、經濟環境  在過去的幾年，我國工業，建筑，電力，通信等行業的投資和發展速度都在持續加大。僅以電力行業為例，2004年電力投資在1000億元，2005年達到400億元，增長了40%，“十一五”期間，潛在諧波源也在不斷增多，諧波污染表現出擴大和加深的態勢，這也會拉動電力濾波器的市場增長。
三、改善電能質量效益     
1、技術效益：      變化型：各種指標的改善，可以用不同標準限值衡量     事件型：嚴重度降低、事件數量減少     
 2、經濟效益：節能降耗、減少投資、增加產量、提高產品質量
四、電能質量變化的經濟評估     
（1）有功功率損耗和電能消費的增加；       
（2）縮短電氣設備的使用壽命；    
 （3）使無功功率消耗增加，惡化功率因數；    
（4）加大供電系統設備容量，增大系統的投資；     
（5）使產品的質量降低、數量減少；降低勞動生產率以至破壞生產設備和工藝過程。     （6）造成產品的直接損失（主要是指停產造成產量減少）；     
（7）與勞動相關的損失，例如工作人員空閑、加班費、清理以及檢修費用；    
（8）附加費用，例如設備損壞、失去商機費以及貨物延誤交付的罰款等，求出一次擾動的損失費，對于經濟分析，往往可以從瞬時斷電的損失費出發，事件次數的期望值利用SARFI指標（System Average RMS variation Frequency Index），即在一定時間（例如一年）內電壓暫降的幅值低于門限值的頻度統計值，然后根據負荷特性，對于不同的暫降（暫降深度和持續時間），采用相應的權因子，就能求出電壓暫降的費用，當發生電壓暫降時，用于改善性能的解決方案范圍很廣，其費用和效益也各不相同，必須對不同可選方案的電能質量變化的經濟影響和改善性所能需費用作評估。     
（9）功率因數補償電容器不能正常投入運行時，在6～10kV電網中如存在較大的諧波電壓，則發生單相接地概率增加，同時由單相接地過渡到多相短路接地的概率也增加，關于工業電弧爐采用動態無功補償后經濟效益的估算，電壓偏差大小對有些產品的電耗或生產率有明顯的影響，電能質量的影響，除了以上所述內容以外，許多情況下需要結合電網、負荷和工程特點做更全面的量化比較。任何指標的改善，應計及技術措施的成本和運行費及其改善相應指標的效益。對于變化型指標，可以計算出相關設備上的功率損耗、使用壽命的縮短、容量利用率以及功率因數變化的經濟效益，盡量計及對產品產量和質量的影響；對于事件型指標，應確定供電點SARFI指標，用戶（設備）對相應擾動的敏感性，從而求出擾動造成的經濟損失。電能質量的技術經濟分析涉及很多因素，需要結合工程實際做大量深入細致工作，經全面分析比較后才能得到合理的最佳方案。     
電能質量問題涉及的方面很廣，這里也僅對其中的一部分做了介紹。大家現在更關心的是無功問題、電壓跌落問題以及電壓閃變問題，這些問題屬于“急性病”，通過相關方法的治理，效果較為明顯。諧波治理很容易導致大家的忽視，這樣就為系統長期穩定運行埋下了隱患，因此為了保證系統可靠的運行，就需要充分了解到諧波的危害，并在早期進行治理，將可能出現的危害降低到最小，從而延長供電系統的壽命及提高系統的可靠性。  總的來說，解決電能質量問題最重要的是為了節能，降低線路的損耗、提高設備的壽命；可以使無功補償裝置可靠工作，節約電費開支；使整個供電系統達到一個環保的、高標準的環境運行。 六、河南森遠電器股份有限公司簡介  公司創建于1992年，是國家原機械部、電力部定點生產高低壓配電成套設備、隔離開關及元器件產品的廠家，是全國高壓開關行業協會理事會員單位，中國輸變電行業協會會員單位，國家重點高新技術企業，曾多次承擔國家火炬計劃、河南省高新技術產業化重點項目、河南省重大科技攻關項目、杰出人才創新資金項目，1998年通過ISO9001國際質量體系認證，2003年入選河南省首批制造業信息化重點示范企業，2005年獲得國家電子商務專項資金支持。公司被國家科技部評為“火炬計劃優秀高新技術企業”，被省政府評為“河南省優秀民營企業”、“河南省民營科技企業五十強”，2006年入選河南省百戶重點企業。  公司概況：  公司專注于配電和輸變電領域的新技術引進和新產品開發、制造，擁有高低壓成套開關設備、高壓元件、高壓配件等9大系列、400多個品種產品。其中GZS1中置式開關設備、HXGN高壓環網柜、GN系列高壓隔離開關等產品技術性能在國內同行業處于領先地位。多項產品填補了國內空白，并獲得省、部級獎勵。公司制造的GZS1中置柜、YB箱變、XGW2開關站等十多種產品被評為河南省高新技術產品，其中GZS1中置柜、VSV戶內高壓真空斷路器被評為河南省名牌產品，MNSS低壓柜被評為河南省優質產品。GN系列隔離開關年銷售量及市場占有率居全國第一。  2003年公司在鄭州國家經濟技術開發區購地150畝，建設“森源高科技產業園”，與俄羅斯、韓國、德國特瑞德和西交大合作，共同建設高低壓配電和電力自動化領域的高科技電氣研發平臺。主要加工設備是從美國、德國、日本引進的具有世界先進水平的數控轉塔式多工位沖床、數控折彎機、數控激光切割機、數控焊接機器人、數控綜合加工中心等現代化加工設備。公司銷售網絡遍及全國二十多個省市自治區。 五、基本原理  電力有源濾波器SAPF是通過監測實時諧波狀況，在線計算出所含諧波分量，產生相應的控制信號，去控制可關斷功率器件。一般是IGBT構成的逆變電路，產生所需補償的電流諧波分量，并聯接入產生諧波的主回路中，達到迅速的動態跟蹤抑制諧波的效果。  河南森源電氣生產的有源電力濾波器SAPF為諧波治理提供了完美的解決方案。SAPF采用自主研發的最新技術，快速準確地檢測出諧波，并通過優秀的算法，控制IGBT實現對諧波的補償。  SAPF還同時提供無功補償的功能，可以為用戶改善功率因數，提高用戶用電質量。      
斷路器合閘后，SAPF首先通過預充電電阻對DC母線的電容器充電，這個過程是防止上電后對DC電容器的瞬間沖擊。當母線電壓Vdc達到額定值后，預充電接觸器斷開。  直流電容作為儲能原件，通過IGBT逆變器和內部電抗器向外輸出補償電流提供能量。  SAPF通過外部互感器采集電流信號送至控制PCB的諧波分離模塊，該模塊將基波成分分離，將諧波成分送至調節和監測模塊。該模塊會將采集到的系統諧波成分和SAPF已發出的補償電流比較，得到差值作為實時補償信號輸出到驅動電路，觸發IGBT逆變器將補償諧波電流注入到電網中，實現濾除諧波的功能。
七、無緣濾波器與有源濾波器的對比
八、案例分析  
1.通信機房諧波治理典型案例一     
項目背景：  隨著通信事業的迅猛發展，通信電源系統的規模也日益壯大，電源設備因不斷地擴增而過于集中。某移動分公司使用了多套UPS和開關電源系統，UPS和開關電源是典型的三相非線性負載，這些非線性設備在使用過程中，會產生大量的諧波，從而導致電壓、電流波型發生畸變，嚴重影響機房供電安全。     
治理方案：  為了消除供電隱患，提高綜合樓交流供電的安全性與可靠性，根據現場測量情況，鑒于產生的諧波次數的種類多，需采用有源電力濾波器（有源濾波器可以濾除多次數諧波電流）。我們對其濾波性能做了評估，效果非常明顯。     
治理效果：      
 補償前總諧波含量58.2%，補償后總諧波含量降至5.4%；5次諧波從補償前50.7%降至補償后5.4%；可見濾波器投入后，系統諧波得到了很好的抑制，提升供電系統的供電可靠性，消除了系統諧波對通信系統影響的隱患，收到了良好效果。      
2.污水處理廠諧波治理典型案例（北京市高碑店污水處理廠）     
項目背景：  
某污水處理廠變電所負載主要由21臺變頻器組成，由變頻器帶動相應的電動機，功率分布情況為7臺37kW、7臺2.2kW、7臺1.5kW。其中每三臺為一組，共7組,每組分別是1臺37kW、1臺2.2kW、1臺1.5kW，系統最多投入三組同時運行。由于全部都是變頻器負載，變頻器是一個非常大的諧波源，因此給系統帶來很嚴重的諧波污染和諧波干擾，造成系統不能正常工作，經常性的燒壞電氣元件，為了解決問題，必須進行諧波治理。 治理方案：  根據用戶提供的資料，負載最多投入三組同時運行，那么最大運行的功率為（37kW+2.2kW+1.5 kW）×3=122.1 kW，諧波含量約為36 kW，因此我們選擇50 kW的諧波治理裝置。     
治理效果：  
運行有源電力濾波器前后，電網電流變化十分明顯，達到了消除電流諧波、改善電源電壓的目的。 九．結束語  電力濾波器污染的研究和治理，逐步形成了獨立的理論體系與工程實踐，形成一門前沿的分支學科一電力濾波器市場，隨著我國工業規模的擴大，電力濾波器市場將保持良好的可持續增長。  由于時間因素、專業水平及應用經驗的限制，本報告有諸多不全面，不深入之處，敬請指正。  諧波治理設備——有源濾波器SAPF


XDAPF系列有源電力濾波器:以高新技術產業為支柱， 。 主要從事交、直流電氣傳動系統、自動化控制系統及電力電子產品的開發與生產. 與清華大學共同研制的主要電力電子產品：APF、SVG、MVD等。 有員工300人，本科以上150人。 注冊資金4000萬元。

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