諧波情況下的無功補償設計

引言

隨著變頻器、電力節(jié)電器等非線性負荷的推廣使用，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備有著極大的影響，在諧波嚴重的局部電網(wǎng)，無電抗的電容器無功補償設備幾乎無法工作。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計計算進行了詳細的說明，還對無源濾波器在設計中的模糊概念進行了澄清，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。

1 諧波的主要構成成分

諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的，但電網(wǎng)諧波的主要構成并不復雜。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半周的不對稱所形成的，而電網(wǎng)中電流正負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，諧波是由非線性負荷產(chǎn)生的，主要是整流濾波，它在電網(wǎng)中產(chǎn)生PN依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、變頻器等逆變類負荷中，逆變頻率與電網(wǎng)頻率無關，會產(chǎn)生頻率并不是基波的整數(shù)倍諧波，有人稱其為分數(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荷中，雖然諧波的成分非常復雜且含量很大，但由于其工作的間斷性產(chǎn)生的諧波多為間諧波，特點是持續(xù)時間短，頻譜雜亂，疊加后形成白噪聲。這類諧波可以通過在諧波負載前加裝低通濾波器進行治理。

電力機車是人們公認的諧波源，但電力機車主要形成的是陷波和不平衡負載，通過Y/吟接線的變壓器后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。

2 諧波對無功補償?shù)挠绊?/STRONG>

當諧波源位于進行補償?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，電容器也可能過負荷。內(nèi)網(wǎng)諧波源容量通常小于局部網(wǎng)主變壓器容量，應該使用并聯(lián)濾波器將其吸收。

當諧波是由上一級電網(wǎng)經(jīng)主變壓器竄入本級電網(wǎng)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，所以只能采取串接電抗器濾波的方式阻止過量的諧波進入電容器。因此，只有區(qū)分內(nèi)網(wǎng)諧波與外網(wǎng)諧波，才能采用正確的補償濾波方式，這是十分重要的。