低壓系統(tǒng)阻抗型無功補(bǔ)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(fù)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(diǎn)關(guān)注的問題，阻抗型無功補(bǔ)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(shí)例來分析阻抗型無功補(bǔ)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(fù)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(gè)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(fù)載大部分都是非線性負(fù)載，如整流器、UPS類設(shè)備、電梯、空調(diào)、變頻器、節(jié)能燈、計(jì)算機(jī)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(bǔ)償方式，在提高功率因數(shù)的同時(shí)也產(chǎn)生了諧波放大的現(xiàn)象。這些非線性負(fù)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(yán)重的危害，同時(shí)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(yùn)行。

因此，為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)償與諧波濾波裝置時(shí)提供了專業(yè)化的建議。

2、阻抗型無功補(bǔ)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(shí)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(rèn)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。考慮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(yùn)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(fù)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(fù)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(bǔ)償容量是兩個(gè)不同的概念，基波無功補(bǔ)償容量越大，則電容器安裝容量越大，調(diào)諧濾波器運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)具備無功補(bǔ)償?shù)妮o助功能。

3、阻抗型無功補(bǔ)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(rèn)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(bǔ)償電容器，一般要求電容值精度的誤差在0～10%以內(nèi)，其價(jià)格比調(diào)諧濾波器較低。

2）失諧濾波器的基波無功補(bǔ)償容量計(jì)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(bǔ)償容量時(shí)電容器的安裝容量比調(diào)諧濾波器要小得多，同時(shí)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(rèn)識到調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)調(diào)諧頻率接近特征諧波，但失諧濾波器設(shè)計(jì)調(diào)諧頻率是遠(yuǎn)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(yùn)行。

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

4、阻抗型無功補(bǔ)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(zhǔn)短路容量10MVA計(jì)算，基波無功需求量為150kvar，非線性負(fù)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(bǔ)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。