1 引言
隨著變頻器、電力節(jié)電器等非線性負(fù)荷的推廣使用，電力網(wǎng)的諧波含量越來越大。電網(wǎng)諧波對電力無功補償設(shè)備有著極大的影響，在諧波嚴(yán)重的局部電網(wǎng)無電抗的電容器無功補償設(shè)備幾乎無法工作。許多企業(yè)采用電容器串接電抗器的無功補償方式來回避諧波，但是由于不清楚電抗值的計算方法，不僅達(dá)不到理想補償效果，反而造成了諧波放大。一些企業(yè)選用了無源濾波器，但由于沒有對電網(wǎng)參數(shù)精確測算，投入運行后不能正常運行。針對低壓系統(tǒng)無功補償?shù)闹C波治理問題，本文對補償電容器串接電抗器的設(shè)計計算進(jìn)行了詳細(xì)的說明。本文還對無源濾波器在設(shè)計中的模糊概念進(jìn)行了澄清，提出了用串接電抗器解決電網(wǎng)諧波下無法使用無源濾波器的問題，并給出了實用的計算方法。
2 諧波的主要構(gòu)成成分
諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的，但電網(wǎng)諧波的主要構(gòu)成并不復(fù)雜。電網(wǎng)諧波是指基波的整數(shù)倍的高次波，即2、3、4、5……次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由于信號正負(fù)半周的不對稱所形成。而電網(wǎng)中電流正負(fù)半周的不對稱的情況不常見，因此偶次諧波的含量很小。在三相系統(tǒng)中， 3、6、9……等3的整數(shù)次諧波的相位相同，在三相三線的系統(tǒng)中不能流通，在三相補償電容器中也不能流通。只要不是分相補償就不需要考慮3的整數(shù)次諧波的影響。
在多數(shù)情況下，諧波是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的，主要是整流濾波，在電網(wǎng)中產(chǎn)生pn±1次諧波，p是一周內(nèi)整流形成的直流波頭數(shù)，n是自然數(shù)。三相整流最低諧波次數(shù)是5次。
在中頻爐、變頻器等逆變類負(fù)荷中，逆變頻率與電網(wǎng)頻率無關(guān)，會產(chǎn)生頻率并不是基波的整數(shù)倍諧波，有人稱其為分?jǐn)?shù)次諧波。但這些諧波被整流濾波電路隔離不會直接反饋到電網(wǎng)中去。
在電弧爐、電解鋁、氯堿廠等大型沖擊性不對稱負(fù)荷中，雖然諧波的成分非常復(fù)雜且含量很大，但由于其間斷性產(chǎn)生的諧波多為間諧波，持續(xù)時間段，頻譜雜亂，疊加后形成白噪聲。這一類諧波可以在諧波負(fù)載前加裝低通濾波器進(jìn)行治理。
電力機車是人們公認(rèn)的諧波源，但電力機車主要形成的是陷波和不平衡負(fù)載，通過y/△接線的變壓器后3的倍數(shù)次諧波被隔離，注入電網(wǎng)的諧波成分與逆變類負(fù)荷一樣。所以電網(wǎng)諧波的主要成分是：5、7、11、13、17、19……次諧波。
3 諧波對無功補償?shù)挠绊?/FONT>
當(dāng)諧波源位于進(jìn)行補償?shù)木植侩娋W(wǎng)中時稱為內(nèi)網(wǎng)諧波。對于內(nèi)網(wǎng)諧波，補償電容與系統(tǒng)阻抗（包括主變壓器漏電抗和電網(wǎng)阻抗）之間是并聯(lián)關(guān)系，如果并聯(lián)諧振頻率剛好與諧波源頻率相等就會發(fā)生并聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電流放大現(xiàn)象，此時即使電容器補償容量大于諧波源容量，電容器也可能過負(fù)荷。內(nèi)網(wǎng)諧波源容量通常小于局部網(wǎng)主變壓器容量，可以并且應(yīng)該使用并聯(lián)濾波器將其吸收。
當(dāng)諧波是由上一級電網(wǎng)經(jīng)主變壓器竄入時稱為外網(wǎng)諧波。對于外網(wǎng)諧波，補償電容與系統(tǒng)阻抗之間是串聯(lián)關(guān)系，如果串聯(lián)諧振頻率剛好與系統(tǒng)中諧波源頻率相等就會發(fā)生串聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電壓放大現(xiàn)象，可能造成補償電容器過負(fù)荷。由于系統(tǒng)諧波源往往容量較大，此時使用并聯(lián)濾波器將其吸收通常是不可能的。只能采取串接電抗器濾波的方式阻止過量的諧波進(jìn)入電容器。因此，區(qū)分內(nèi)網(wǎng)諧波與外網(wǎng)諧波，采用正確補償濾波方式是十分重要的。
4 外網(wǎng)諧波下無功補償設(shè)計
對于外網(wǎng)諧波其容量比較大可以用電壓源esk表示，k表示諧波次數(shù)。忽略系統(tǒng)阻抗中的電阻可以簡單的寫出系統(tǒng)基波電抗xs、電容器基波容抗xc和諧波電流ik的關(guān)系式
（1）
式（1）
中部分是補償電容回路對外網(wǎng)諧波的串聯(lián)等值電抗，在圖1中表現(xiàn)為曲線1。對于高次諧波，外網(wǎng)諧波的串聯(lián)等值電抗往往呈現(xiàn)低阻特性，甚至在某個頻點上呈現(xiàn)電抗為0，使外網(wǎng)諧波電流大量流入補償電容造成過載。
依據(jù)電網(wǎng)中沒有2、3、4次諧波的特點，工程上采用在補償電容器上串接電抗器的方法抑制諧波。此時外網(wǎng)諧波的串聯(lián)等值電抗變?yōu)?IMG src="/bpq/bpqedit/UploadFile/2009121161041374.jpg" bbbbbb="DrawImage(this,'700','2000')">，在圖1中表現(xiàn)為曲線2。
圖1 外網(wǎng)諧波補償回路串聯(lián)等值電抗
串聯(lián)電抗后，電容串聯(lián)回路的諧振頻率點降到了5次諧波以下，由于系統(tǒng)中5次以下的諧波含量很少，所以不會發(fā)生串聯(lián)諧振。對于大于諧振頻率點的諧波電容串聯(lián)回路呈現(xiàn)感性，對于低于諧振頻率點的基波電容串聯(lián)回路呈現(xiàn)容性。
人們?nèi)菀渍J(rèn)為只要串接電抗器后回路對系統(tǒng)諧波呈感性就可以起到抑制諧波的作用了，其實不然，如果回路的諧振點選得過高，不僅不能抑制諧波，反而可能放大諧波。從圖1的曲線2的特征可以看出，盡管串接電抗后在5次諧波頻點上回路特性成為感性，但其電抗的模值卻小于串電抗之前曲線1的模值。也就是說串接電抗后流入電容器的5次諧波電流更大了。所以在選擇電抗器電抗值時應(yīng)該保證串接電抗后最低次諧波的阻抗模值不降低， 實際設(shè)計中可以根據(jù)系統(tǒng)的電壓諧波esk的大小，計算出可能出現(xiàn)的最大的流入補償電容器的諧波電流，并算出主要諧波電流和基波電流的均方根值，用均方根值校驗有諧波時電容器的過載情況。利用下式可以計算各次諧波電流
(2)
式（2）中xs是電源的基波電抗等值電抗，簡便計算中可以用變壓器短路電抗代替。
在分組投切的電容器補償系統(tǒng)中電抗器要串接在分組電容器上，不能用一組電抗器帶多組電容。在電容器的補償容量可能會變小的場合（例如自愈式電容器），計算要有一定的富裕量，避免諧振點上移造成阻波失效。
也不是說串接電抗越大越好。從圖1可以看到串接電抗后串聯(lián)回路的基波總阻抗也減小了，而電容器的容抗并沒有變，所以當(dāng)電容器串接了電抗器之后，電容器的工頻基波端電壓會升高。電壓升高后的值接近于串接電抗前工作電壓的xc/( xc－xl)倍。電抗選得越大電壓升高越多。在選擇電容器的額定電壓時必須高過這個電壓。除考慮基波電壓升高外，還應(yīng)該考慮諧波電壓會疊加在基波電壓之上，出現(xiàn)的尖峰電壓。用尖峰電壓校驗電容器短時過電壓能力。一般電力電容器都應(yīng)達(dá)到過電壓170%一分鐘不擊穿的耐壓水平。如果所用的產(chǎn)品耐壓達(dá)不到要求，就需要把電容器額定電壓再提高10%-20%。
5 內(nèi)網(wǎng)諧波下無功補償設(shè)計
對于內(nèi)網(wǎng)諧波是由于企業(yè)自身的非線性負(fù)載造成的，其容量是有限的。在設(shè)計補償器時原則上不應(yīng)該采用串接電抗器方式，因為這樣做是把局部電網(wǎng)的諧波推向了上一級電網(wǎng)。
正確的方式應(yīng)該是采用諧波濾波器把自身產(chǎn)生的諧波吸收掉再進(jìn)行無功補償。圖2是最常用的無源濾波器的接線原理圖。設(shè)計中各次諧波支路濾波電容的容量必須大于內(nèi)網(wǎng)諧波源的容量。在無功補償容量不超限額的情況下，可以把電容器容量選的一樣的大。因為電容器的價格遠(yuǎn)小于電抗器的價格，電容器容量越大，同樣諧振頻率所需的電抗就越小，總體造價越便宜。在濾波電抗器的設(shè)計中，電抗器的額定電流只需大于內(nèi)網(wǎng)諧波源的諧波電流就可以了。電容的容抗值與電抗器的電抗值按所濾諧波的串聯(lián)諧振條件確定。例如7次諧波濾波電容器在基波頻率時的容抗值為xc7 ，那么7次諧波電抗器在基波時的電抗值為xl7 =xc7 /72=xc7×2%。圖2中列出了部分濾波電抗的近似值。諧波濾波器每一條支路只對本次諧波呈現(xiàn)阻抗最低，對于基波各支路都呈現(xiàn)容性，所以各支路都在進(jìn)行著無功補償。在計算補償容量時，k次濾波支路的無功補償容量是不串接電抗器時電容器補償容量的倍
。如果算下來無功補償容量達(dá)不到總體設(shè)計要求，那么可以額外增設(shè)無功補償設(shè)備。當(dāng)然也可以加大諧波濾波器各支路的容量，但這樣不利于補償容量的調(diào)整。
圖2 無源諧波濾波器設(shè)計原理圖
在選擇電容器額定電壓時，要在系統(tǒng)工頻電壓的基礎(chǔ)上再加上濾波器諧振附加電壓。諧振附加電壓值按濾波電容流過最大可能的諧波電流計算。例如5次諧波濾波電容的基波下容抗為xc5 ，通過的最大5次諧波電流為i5 ，那么5次諧振附加電壓為u5= i5×xc5/5 。
在實際系統(tǒng)中往往不僅有內(nèi)網(wǎng)諧波，同時還有外網(wǎng)諧波。外網(wǎng)諧波源容量大，會穿過變壓器電抗進(jìn)入濾波器，使濾波器嚴(yán)重過負(fù)載而燒毀。有文章提出，采用調(diào)整濾波器的諧振頻率的方式，使諧振點改變到諧波不存在的頻率上去，例如4、6、8、10次諧波頻率。這實際是一種躲避方式，這種方式不僅會削弱濾波器對內(nèi)網(wǎng)諧波的濾波作用，而且很危險。由于濾波支路諧振頻率與系統(tǒng)諧波頻率非常接近，一旦電網(wǎng)運行方式變化或是電容參數(shù)變化，就有可能與外網(wǎng)諧波發(fā)生諧振，造成濾波器過負(fù)載，甚至燒毀。
圖3 無源濾波器串接電抗方式圖
比較合理的方式是在濾波器與電源之間串接電抗器，如圖3所示。這種方式對于內(nèi)網(wǎng)諧波，濾波器的諧振點保持與諧波源的諧波頻率一致，不會影響濾波效果。對于外網(wǎng)諧波，濾波器始終呈現(xiàn)感性，不會造成補償、濾波電容器的過負(fù)荷。
在串接電抗器xl后還是有一定的外網(wǎng)諧波電流進(jìn)入濾波支路，所以設(shè)計支路濾波電容器時要有一定的富裕容量。流入濾波支路的外網(wǎng)諧波電流可由下式計算
(3)
式（3）中k為次諧波次數(shù)，xs為電源基波電抗，esk為外網(wǎng)諧波的幅值。通常esk小于系統(tǒng)額定電壓的5%，xl大約取5次諧波電抗基波值的1～2倍，算下來δik不會超過內(nèi)網(wǎng)最大濾波電流的10%-20%。
電抗值xl也不能取的過大，因為加入電抗會升高濾波器入口基波電壓。如果濾波器有5次、7次、11次、13次以上4條濾波之路，那么與串接電抗之前相比串接電抗后電壓大約升高的倍數(shù)為
(4)
式（4）中xck、xlk分別為k次濾波支路的電容器基波容抗和電抗器基波感抗。加入電抗后電壓大約升高1%-2%。
6 結(jié)束語
在有諧波的電網(wǎng)中進(jìn)行無功補償應(yīng)該采用串接電抗器的補償方式，這不僅能解決簡單電容器補償?shù)倪^流、過壓問題，也可以解決多支路無源濾波器的過載問題。設(shè)計中電抗器參數(shù)的計算十分重要，不僅要檢驗電抗器下限值對諧波的阻波作用，還要檢驗電抗器上限值給補償濾波回路造成的電壓升高，按照本文給出的計算公式可以方便地計算出所需要的電抗值。
作者簡介
高月民 男 勝利石油管理局生產(chǎn)管理部副主任工程師，主要負(fù)責(zé)電力技術(shù)管理工作，從事電網(wǎng)運行及電力管理工作20余年。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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