低壓系統(tǒng)阻抗型無功補償與諧波濾波裝置及應(yīng)用

低壓節(jié)能控制系統(tǒng)廣泛使用非線性負載而產(chǎn)生的諧波與無功污染，已成為低壓系統(tǒng)電能質(zhì)量應(yīng)重點關(guān)注的問題，阻抗型無功補償與諧波濾波裝置可較低成本并有效解決這類問題，但在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了一些混淆或者夸大其功能的情況。本文從《GB/T 26870-2011濾波器和并聯(lián)電容器在受諧波影響的工業(yè)交流電網(wǎng)中的應(yīng)用》出發(fā)，并利用仿真實例來分析阻抗型無功補償與諧波濾波裝置的原理和功能異同，及其在低壓系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題。

1、引言

由于低壓負荷性質(zhì)發(fā)生了深刻變化，諧波也日益廣泛地滲透到了低壓系統(tǒng)。電網(wǎng)諧波一般來自三個方面：一是發(fā)電電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，這是低壓電力系統(tǒng)中諧波的主要根源。如今，廣泛使用的負載大部分都是非線性負載，如整流器、UPS類設(shè)備、電梯、空調(diào)、變頻器、節(jié)能燈、計算機設(shè)備、家用電器等；另外，低壓配電系統(tǒng)中廣泛使用并聯(lián)電容補償方式，在提高功率因數(shù)的同時也產(chǎn)生了諧波放大的現(xiàn)象。這些非線性負荷產(chǎn)生的諧波污染會對電網(wǎng)和所有用戶后端產(chǎn)生嚴重的危害，同時產(chǎn)生的無功功率還造成電壓波動與閃變等電能質(zhì)量問題，危害電網(wǎng)的安全運行。

因此，為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，必須采取諧波與無功功率的治理措施，提高低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。本文基于GBT 26870-2011介紹了兩種阻抗型無功補償與諧波濾波裝置：調(diào)諧濾波器和失諧濾波器，并利用仿真實例來分析其原理和功能異同，及其在低壓系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題，為電能質(zhì)量裝置制造商和電力用戶在選擇阻抗型無功補償與諧波濾波裝置時提供了專業(yè)化的建議。

2、阻抗型無功補償與諧波濾波裝置—調(diào)諧濾波器

2.1 調(diào)諧濾波器定義

GBT 26870-2011的定義：調(diào)諧頻率與濾波頻率相差不大于10％的濾波器。

無源濾波器是利用電容和電感的串聯(lián)諧振原理，在調(diào)諧頻率下使濾波支路的等效阻抗近似為零，對調(diào)諧頻率及其附近的諧波電流呈現(xiàn)低阻抗通道，以實現(xiàn)濾除諧波電流的目的。調(diào)諧濾波器濾波示意圖如圖1所示。

2.2 調(diào)諧濾波器的認識

（1）對定義的理解

理想條件下，濾波裝置的調(diào)諧頻率應(yīng)該與需要濾除的特征諧波頻率相等，以取得最好的濾波效果?？紤]到濾波電容器的溫漂及制造偏差、濾波電抗器的制造偏差、鐵心電抗器的非線性以及系統(tǒng)阻抗的變化等因素，可能會使濾波器的諧振頻率發(fā)生偏移，使濾波器的阻抗在特征諧波頻率處呈容性，導(dǎo)致諧波電流的放大。為了保證濾波器長期運行的可靠性，一般要求濾波器的調(diào)諧頻率與特征諧波的頻率相差不大于10％，且為負偏差。

（3）調(diào)諧濾波器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

1）調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)特征諧波電流的頻譜分布而確定，且調(diào)諧頻率靠近特征諧波頻率（相差在10%以內(nèi)的負偏差），對調(diào)諧濾波器的電容器和電抗器制造精度要求較高，一般要求電容值精度的誤差在0～2.5%以內(nèi)。

2）應(yīng)用調(diào)諧濾波器的系統(tǒng)必須有一定量的無功功率需求，調(diào)諧濾波器安裝容量和基波補償容量是兩個不同的概念，基波無功補償容量越大，則電容器安裝容量越大，調(diào)諧濾波器運行越安全可靠。

3）調(diào)諧濾波器流過的電流包含基波無功補償電流和濾除的特征諧波電流，因此調(diào)諧濾波器的安裝容量還與應(yīng)用系統(tǒng)特征諧波電流發(fā)生量大小有關(guān)，特征諧波發(fā)生量大則流過調(diào)諧濾波器部分的諧波電流越大，要求調(diào)諧濾波器電抗器的額定電流，電容器額定電壓和額定電流越大，造成電容器的安裝容量就越大。

4）盡管諧波濾波與無功補償密不可分，但調(diào)諧濾波器主要功能是濾除應(yīng)用系統(tǒng)中存在的特征諧波電流，并同時具備無功補償?shù)妮o助功能。

3、阻抗型無功補償與諧波濾波裝置—失諧濾波器

3.1 失諧濾波器的定義

3.2 失諧濾波器的認識

（1）對定義的理解

按照GBT 26870-2011的定義，調(diào)諧頻率低于電壓或電流幅值不應(yīng)忽略的最低次諧波頻率10％以上，主要考慮失諧濾波器調(diào)諧頻率要偏離特征諧波頻率，一是避免失諧濾波器對低于失諧濾波器諧振頻率的特征諧波電流發(fā)生放大；二是避免過多的特征諧波電流流入失諧濾波器造成電容器、電抗器過電壓和過電流。

（2）失諧濾波器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

1）失諧濾波器調(diào)諧頻率要避開應(yīng)用系統(tǒng)中最低的特征諧波頻率，對電容器和電抗器制造精度要求不高，選用無功補償電容器，一般要求電容值精度的誤差在0～10%以內(nèi)，其價格比調(diào)諧濾波器較低。

2）失諧濾波器的基波無功補償容量計算方法同調(diào)諧濾波器，由于失諧濾波器的調(diào)諧頻率一般偏離特征諧波頻率，流入失諧濾波器的特征諧波電流量比調(diào)諧濾波器要小得多，失諧濾波器的電抗器和電容器選取的額定電流比調(diào)諧濾波器要小，因此相同基波補償容量時電容器的安裝容量比調(diào)諧濾波器要小得多，同時電容器的額定電壓也可以選低一些。

3）失諧濾波器對高于調(diào)諧濾波器的特征諧波有一定的濾波效果，但必須認識到調(diào)諧濾波器設(shè)計調(diào)諧頻率接近特征諧波，但失諧濾波器設(shè)計調(diào)諧頻率是遠離調(diào)諧頻率，本質(zhì)上是避免過多的諧波電流流入失諧濾波器，從而保證失諧濾波器的長期安全穩(wěn)定運行。

4）失諧濾波器的主要功能是補償應(yīng)用系統(tǒng)的無功功率，并同時具備一定諧波濾波的輔助功能。

4、阻抗型無功補償與諧波濾波裝置在低壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 低壓節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用背景

某10kV/0.4kV低壓系統(tǒng)，短路容量以基準短路容量10MVA計算，基波無功需求量為150kvar，非線性負荷產(chǎn)生的5次和7次諧波電流分別為120A和90A，采用阻抗型無功補償與諧波濾波裝置治理該低壓系統(tǒng)的諧波與無功問題，四種參考解決方案如下：

（1）設(shè)置5%串聯(lián)電抗器的失諧濾波器；

（2）設(shè)置6%串聯(lián)電抗器的失諧濾波器；

（3）設(shè)置7%電抗器的失諧濾波器；

（4）設(shè)置5次和7次調(diào)諧濾波器。