1 傳統無功補償裝置應用背景及現狀
隨著中國三十年的經濟高速發展，電力電子設備在各行業得以普遍使用，變頻電源、整流電源、逆變電源、開關電源、節能燈等典型非線性負載在配電系統占比越來越高。傳統無功補償裝置在現代配電系統應用中，不但不能有效提升配電系統功率因數，降低系統線損，反而變成主要的故障源--電容器嚴重漏油、串抗頻繁燒毀、保險損壞爆炸，嚴重時會造成系統火災系統停電等惡性事故，以下是諧波造成補償柜和系統問題的典型照片。
圖1 接觸器燒毀
圖2 嚴重漏油損壞
圖3 對地短路
圖4 系統火災
2 測試數據分析
通過測試浙江某大型船舶制造公司的一個船塢配電室傳統無功補償投入前后數據可以清晰看到傳統無功補償對諧波嚴重放大的情況。
圖5 配電系統架構圖
測試地點為1#變380V低壓總進線開關側：
表1投入傳統無功補償裝置前后對比
由以上數據可以清晰看出投入傳統無功補償裝置前后：配電系統電壓畸變率由4.8%放大到6.5%，超過國標14549-93標準；配電系統電流畸變率由9.5%放大到18.9%，總諧波電流由112A放大到202A；配電系統電流波形由不規則單峰變成雙峰，主要放大諧波以5次和11次諧波最為明顯。
該配電系統頻繁出現電容器損壞故障及嚴重漏油現象，也頻繁出現空壓機變頻器模塊莫名擊穿損壞問題。
圖6系統故障局部
3 配電系統存在的風險
據了解，配電系統包括有大量焊接機和變頻控制的空壓機等非線性電源，諧波含量較高，傳統無功補償裝置投入配電系統會導致以下風險：
傳統無功補償裝置嚴重放大系統諧波含量，導致其公共連接點諧波含量超標污染電網，引起供電部門關注，嚴重時會給企業下停電整改通知單；
傳統無功補償裝置無法跟蹤負載波動速度，可能造成系統諧振，導致電氣設備的過壓過流以致保護斷電，使生產中斷，產生嚴重后果；
由于傳統無功補償裝置不能正常運行，配電系統功率因數低下，變壓器、母排、各種配電元件中流經大量無功電流，使變壓器、母排、各種配電元件容量下降且發熱嚴重，可能出現過載現象燒壞設備；
放大的諧波產生積膚效應，會造成變壓器線圈、母排、斷路器、電纜等電氣元件嚴重發熱，元器件發熱會導致火災、短路等問題，給系統安全造成極大風險；
超標的電壓諧波會嚴重干擾整條生產線的弱電系統，以及造成變頻器、開關電源等設備控制模塊損壞，導致生產線不能正常運行，影響企業效益；
放大的諧波電壓疊加在基波電壓上隨著負載快速波動，會造成電壓波動幅度大、頻率快，給產品品質和壽命帶來很大影響；
諧波極易造成保護誤動作，沖擊斷路器的保護限值，造成斷路器莫名跳閘甚至燒毀，一旦發生，給生產線造成極大損失；
以上情況最終會造成配電系統不能連續安全運營、用戶投資不能得到有效回報、用戶產品成本增加及運營成本升高、用戶生產效率降低或產能降低、用戶能耗巨大。
4 現狀分析、建議及治理效果
4.1現狀分析
傳統無功補償裝置導致配電系統諧波含量嚴重放大，且補償裝置元器件頻繁燒毀，分析得原因如下：
電容器容抗對高次諧波呈現低阻抗、容抗和以下參數相關。XL=1/(2X3.14XfXC)，配電系統的諧波含量越高，即頻率次數越高則容抗值越低，相同的電壓下，會造成電容器的電流異常放大。導致配電系統諧波電流異常升高，電容器過流、接觸器、保險、導線等均存在嚴重過流發熱情況，從而造成補償裝置電氣元器件頻繁損壞。
諧波電壓對電容器的危害。傳統無功補償裝置放大配電系統諧波電流，該諧波電流和配電系統的變壓器感抗及系統阻抗耦合后導致配電系統電壓發生畸變；超標的諧波電壓疊加系統的基波電壓后會導致系統電壓升高，造成電容器端電壓超過電容器的額定電壓，據相關資料電容器的端電壓升高10%，會導致電容器的壽命縮短一半時間；當網側的背景諧波電壓超標時，也會導致傳統無功補償裝置電容器的使用壽命縮短。
諧振：傳統無功補償裝置為容性負荷，與配電系統變壓器的感抗有固定諧振頻率，當負載頻繁波動時，會造成傳統無功補償裝置頻繁投切。另外，電容器隨著使用時間拉長，電容量會逐漸衰減，這些原因導致傳統無功補償有很高的諧振風險。當配電系統發生諧振時會導致配電系統的電壓、電流異常升高，嚴重危害電力負載和配電設備。
傳統無功補償裝置無法跟蹤負載快速波動。當配電負載為快速波動，傳統無功補償無法跟蹤，出現頻繁投切時，電容器投切時的浪涌沖擊電壓和電流也會導致電容器組迅速損壞，嚴重時會導致傳統無功補償裝置發生爆炸起火，造成系統停電等事故。
以上問題是傳統無功補償裝置無法規避的風險！
4.2對策建議
針對傳統無功補償裝置產生的諧波放大、功率因數無法有效提高、無法跟蹤負載的快速變化等問題，第三代無功補償裝置--靜止無功發生器SVG有效的解決了傳統無功補償裝置的問題。
4.2.1靜止無功發生器SVG原理
SVG以大功率電壓型逆變器為核心，通過調節逆變器輸出電壓，使其和系統電壓形成可調基波電壓差或諧波電壓差，從而控制注入系統的無功電流或諧波電流，達到補償無功和抑制諧波的目的。
圖7 SVG工作原理圖
4.2.2 SVG產品主要特點
雙向無功補償：既可以補償容性負載，有可以補償感性負載，額定容量下可以保證功率因數0.99不波動；
濾除諧波：針對配電系統主要諧波含量如5、7、11、13次等諧波進行濾除，保證系統諧波含量符合國標14549-93標準；
跟蹤響應速度快：SVG跟蹤負載進行濾波補償全響應時間小于20ms；
精確補償，消除諧振：SVG濾波補償完全根據配電負載所需進行精確補償，不存在過補償問題，消除了配電系統因容性發生諧振的可能。
表2 SVG和傳統無功補償裝置性能比較
4.2.3 SVG和傳統無功補償裝置經濟分析
傳統無功補償裝置主要部件為電容器或電容器電抗器組，其成本隨著經濟發展較為平穩上升。而SVG的核心器件為IGBT和DSP等電力電子元器件，其價格成本隨著材料應用的成熟有下行趨勢，推廣應用越迅速，其價格下降將會越快，二者的交集會快速到來。
綜合以上特點，SVG產品適應了現代電網配電特征，是完全替代傳統無功補償裝置的最先進的第三代無功補償裝置。
5 SVG產品應用案例
5.1項目背景
某有色冶金企業銅材SCR軋銅生產線，弱電干擾嚴重，變頻器模塊經常損壞，電能質量急需得到提升。
圖8 SCR軋銅生產線現場環境
5.2項目意義
諧波治理可以有效提高供電系統的可靠性，消除系統諧波危害；諧波治理可以顯著提高配電系統的功率因數，諧波治理可以大幅減少因諧波造成的高頻振蕩，降低軋線設備運行時噪音。所以該軋線諧波治理既能保證其配電系統的安全運行，提高生產效率，又能節能降耗具有很大經濟效益。
5.3測試結果
實測粗軋和精軋設備運行時系統存在5、7、11、13次等特征諧波，諧波含量豐富。軋線工作時，負荷變化速度在幾個周波，對于諧波治理設備的響應速度也提出了極高要求。
5.4項目方案
1250KVA軋銅變壓器低壓總進線側配置了一臺臺達300KVAR的靜止無功發生器。
5.5治理效果
網側波形從嚴重畸變恢復成正弦波波形。
表3 靜止無功發生器投入前后對比
5.6安裝圖片
圖9 安裝現場圖
5.7項目回顧
某有色冶金企業銅材軋線應用臺達靜止無功發生器成功地解決了粗軋和精軋的諧波及無功補償問題，提高了軋線配電系統的電能品質，保障了配電系統的可靠性，取得了極其顯著諧波治理及節能效果，整個項目于2011年7月全部安裝調試完成，運行至今。
6 總結
傳統無功補償裝置由于其固有的電氣特性不能適應現代配電系統負載需求，而第三代無功補償裝置SVG克服了傳統無功補償裝置的問題，不但解決配電系統的諧波和無功問題，而自身作為電流源，有先天規避諧振風險的優勢。安全、可靠、低耗地保證了配電系統的持續運營，SVG產品替代傳統無功補償裝置在配電系統中大面積推廣應用必將成為一種趨勢。
作者簡介：
周巍，男，生于1972年10月，畢業于中國國防科技大學，計算機信息管理專業。現任中達電通股份有限公司節能應用產品處經理，從事電能質量產品開發、規劃和營銷，具有多年從事電能質量產品的行業經驗。
