強諧波環境下的無功功率補償技術

王鋒，強順義

(陜西凌云電器集團有限公司機動能源處，陜西寶雞721006)

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。非線性功率用電設備產生諧波電流，甚至使用隔離變壓器和整流電抗都不能改變。一方面諧波電流導致電壓諧波;另一方面，這些諧波電流本身就是網絡上附加的負荷并且能顯著導致電容器組的過載。在這種情況下發生諧振且諧波電流振蕩放大并導致一個更高的負荷較危險。本文通過單調諧無功補償裝置與諧波濾波裝置相結合的方案來探討解決強諧波的問題［1－2］。

1 問題的提出

蓄電池新廠區變電站的變壓器主要負責給蓄電池所有化成電源供電，其變壓器容量為1 600 kW，所帶化成電源的裝機容量達2 500 kW以上，電容補償柜的容量為1 080 kW。如此集中的高負荷、高比例補償量較為罕見［3］。

化成電源是一種高諧波、低功率因數的設備，在工作時將產生5次、7次和11次等高次諧波，由于電容的阻抗與頻率成反比，諧波次數越高、含量越大，對補償電力電容器等容性設備的損傷越大，特別是諧波放大后將會對其他電器的絕緣強度有很大的破環性，使電器的漏電流增加直至絕緣被擊穿，引發事故。另外電容器和網絡形成并聯共振回路，使諧波電流放大、使系統電流和電壓畸變更加嚴重。這樣就會導致變壓器的基波負載容量下降、溫升變高，加速變壓器的損耗、老化［4］。

無功功率補償如果采用傳統的補償方式不僅電容器維護費用高，而且嚴重縮短變壓器、線路及電氣元件壽命，造成網絡系統損耗增加，變壓器帶負荷能力下降，電網投資增大。如果取消無功補償則變壓器及整個系統將無法安全運行。所以既要考慮無功補償提高功率因素，同時也要采取措施抑制諧波。

2 問題分析

蓄電池化成電源在工作時產生的諧波用Fluke儀表測試發現:諧波含量達到基波總量20%的波約占10%。針對蓄電池化成電源諧波含量及成份的特點，提出了兩套方案。

2.1 單調諧無功補償裝置

根據蓄電池化成電源5次諧波占總諧波80%的特點，采用6%串抗的單調諧無功補償裝置予以解決。它既能限制諧波電流，又能抑制合閘涌流，對5次及以上高次諧波的抑制，效果理想，基本可消除掉諧波諧振的發生。

所謂單調諧無功補償裝置，即每段由電容器及調諧電抗器串聯組成。調諧頻點為204 Hz。無功補償電容器組無論分幾段投切，調諧頻點只有1個。

電容器容量選擇依據在基波頻率時，系統所需補償的無功功率而確定，調諧電抗器的電感值則是容抗XC的6%。電抗器和電容器串聯的諧振頻率低于電網的最低次諧波頻率，這樣可使電網避免產生諧振。對于高于此串聯自諧振頻率的頻率而言，該回路呈感性，這意味著它不可能激活任何諧振，避免了諧振放大問題，也抑制了投切電容的涌流。而在低于諧振頻率時，諧振電路呈容性，具有諧波濾除和無功補償兩大功能，在提高功率因數的同時有效地保護了補償電力電容器。

2.2 諧波濾波裝置

諧波濾波裝置是針對蓄電池化成電源產生的特征諧波電壓、電流的大小而做制的濾波設備，其等效原理圖如圖1所示。

圖1 針對特定次數的諧波濾波電路

它由電容器、串聯電抗器組成，實際諧波吸收率達70%以上。依據具體諧波的頻率特性，根據電容、電抗、電阻固有的阻抗特性，對某一特定諧振頻率相近或相等的諧波呈低阻抗，為負載諧波電流提供較低的阻抗通道，與電網阻抗形成分流關系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器，而不進入電網;高通濾波器則對截止頻率以上的諧波均呈現低阻抗。

如圖1所示，針對系統中的諧波次數，設計了相應的濾波支路。控制器通過CT檢測電流信號，直接從電源取電壓信號，經快速傅里葉分析，剝離出諧波分量，根據諧波次數和含量，自動投入相應的濾波支路，濾除相應次數的諧波，使諧波含量始終保持在國家標準范圍以內。而且，在諧振點以下，支路呈容性，因此還具有對基波無功補償，提高電網功率因素的作用。

濾波裝置的各項參數公式如下，調諧頻率調諧次數

其中，q為設計濾波器的重要參數，典型值q=30～60。

高通濾波器的復數阻抗

截止頻率

結構參數一般取m=0.5～2;q=0.7～1.4。

該諧波濾波裝置的調諧頻點根據系統需要設計，其中5次調諧頻點為250 Hz;7次調諧頻點為350 Hz;11次調諧頻點為550 Hz。

3 問題解決技術

當系統諧波含量低時，采用單調諧無功補償裝置可以達到有效保護電容器的目的。但由于電網諧波含量高，單獨采用單調諧無功補償裝置，無法消除電網中含有的大量諧波，其他電器元件業無法可靠運行;相反，如果單獨使用諧波濾波裝置，由于濾波支路表現出電容特性，所以在電壓作用下，會產生超前的無功電流，這樣就存在一個問題，在使用無源電力濾波器同時還會進行無功補償，如果系統原有的無功含量不大，那么就會出現無功功率過補，功率因數可能因此下降，而且會提升電網電壓，這對一些設備也是不安全的。所以采用單調諧無功補償裝置與諧波濾波裝置結合的方案。

在無功補償過程中，使補償電容器容量按8∶4∶2∶1分配，當有功功率不足變壓器容量的30%時，采用小容量單調諧無功補償裝置投切;當有功功率超過變壓器容量的30%時，采用諧波濾波裝置投切為主，單調諧無功補償裝置投切為輔的方式。

在由濾波電抗器和電容器組成的串聯電路中，在電抗器上存在著一個電壓降，它導致加到電容器上的電壓升高。電抗系數越高，電壓增加越大。電壓的增加Uc=Un/(1－P)。其中，Uc為電容器實際電壓;Un為系統電壓;P為電抗系數P(%)=XL/Xc。

在串聯電抗器的補償系統中，目標補償容量和電容器的標稱容量之間有Qc=(Uc/Un)2×Qn×(1－P)。其中，Qc為實際配置的電容器標稱容量，Uc為標稱電壓;Un為系統電壓;Qn為目標補償容量;P為電抗系數。

此外，由于諧波的存在可能導致安裝在電網中的電容器產生過載，并且用作功率因數自動調節的電容器回路開關閉合時可能產生超過電容器允許值的峰值浪涌電流，所以不僅要采取相應的過壓、過流、過溫等保護措施，還將功率補償中投切器件由傳統的交流接觸器改為晶閘管功率模塊(TCD)。TCD可快速響應負荷變化，實現平滑投切，投入無涌流、切離時無暫態電流，分合操作速率達到20 ms，從而保證了各類化成電源的高速實時補償。

4 效果評價

該方案在蓄電池遷建改造項目變電站工程中順利實施，使用近一年來效果顯著，如圖2和圖3所示，有效地顯示了該項目的成果。圖2所示是電容補償無投入電網前的各項參數。

圖2 改造前實測示波器數據

圖3所示是電容補償投入電網后的各項參數。

在沒有投入無功功率補償前，功率因數為0.63，投入無功功率補償后，功率因數為0.98，從表1可明確看到各項參數的差別。

圖3 電容補償投入電網后的各項參數

表1 各項參數的差別

在有功功率變化不大的情況下，投入無功功率補償后變壓器電流由2 043 A降低到1 115 A，電壓由395.9 V升高到411.4 V，視在功率由1 330 kW降低到767 kW，提高了變壓器的帶負載能力，電容器工作可靠，平均吸收諧波60%以上。

5 經濟效益分析

假設采用普通電容器補償方式，功率因數可能達到0.9以上，但是設備無故障運行時間最多只能維持約4個月，并且諧波被放大后，電網內電器元件故障率猛增，設施維護費用增大，每年用于電容器更換的費用達到6萬元以上，同時維修期間功率因數下降，每年累計要交的力率罰款將達到9千元以上，而且本系統自運行以來已累計獎勵力率電費2萬余元。這不包括諧波含量嚴重超標后造成的線路、電器異常發熱等引起的安全隱患、事故損失。所以，采用化成電源無功功率補償裝置不僅降低了變壓器的損耗、提高了功率因數，而且有效地保護了電容器，達到了安全可靠運行的目標。

［1］ 呂曉潔，劉園，沈建冬．基于DSP的動態無功補償裝置的研制［J］．電子科技，2008(1):18－21．

［2］ 王易平．基于GTO的靜止無功補償裝置研究［J］．現代電子技術，2010(11):168－171．

［3］ 賀為婷．無功補償容量的優化分析［J］．現代電子技術，2003(10):108－109．

［4］ 候志敏．基于80C196KC單片機的電力補償裝置控制系統設計［J］．現代電子技術，2003(22):75－77．