低壓配電系統中無源濾波器的選用

【摘 要】LC濾波器當前仍是補償諧波的最基本、最主要手段。從一次投資和維護成本看，LC無源濾波在民用建筑中的比例還將長期存在，因此本篇的重點論述無源濾波的原理以及在民用建筑中選用無源濾波器參數的選擇。

【關鍵詞】諧波；并聯諧振區；串聯諧振區；濾波補償區；串聯電抗器電抗率

1 引言

電力系統諧波畸變的現象早就存在，但對諧波治理的研究和工程實施主要集中在功率較大的工業設備，然而單個容量不大，但數量巨大的小型非線性設備卻沒有受到應有的重視。相關文獻表明一些發達國家在各行業產生的諧波量分布中，由民用建筑產生的諧波量占總數的40.6%，其次是電氣化鐵路和冶金行業。現在，我國居民用電占總需求的比例為12%，而美國為36%。我國居民用電還有非常大的增長空間，所以研究低壓用電負荷和配電網的諧波狀況具有長遠的意義，低壓民用配電系統諧波治理的工作缺少系統的諧波治理方案。諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器，這種方法即可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。

2 電路分析

電力系統中主要諧波源為電流源，其主要特征是外阻抗變化時電流不變。其簡化電路和諧波等效電路如此下圖

由圖2（b），根據諧波電流在系統支路和電容器支路中的分配與各支路的阻抗成反比，可得到回路的基本特性方程：

令 式中 --一個與支路參數及諧波次數有關的綜合變量。

于是有：

（1）

（2）

（3）

式中 = -- 電容器支路的電抗率

--電容器安裝地點的短路容量

--電容器的安裝容量

式（1）、式（2）表達了以相對單位值表示的系統支路與電容器支路諧波電流與回路各參數之間的關系。經過坐標變換可知，式（1）、式（2）均為等邊雙曲線方程，曲線見圖1。

圖1

采用相對單位值表示的諧波電流特性曲線（兩組雙曲線）可方便、明了、快捷地分析系統和電容器支路諧波電流隨網絡參數變化的關系。

按該方法分四個區域，對電網無功補償和濾波問題進行了分析

3 自然補償區的分析

如上所述自然補償區指圖2左端 <-2的區域，通常 值為較大的負數，電容器支路雖是容性，但只會引起諧波電流的輕度放大。故系統和電容器支路都不存在顯著的諧波問題，一般只有變壓器和電機等設備在運行中可能會產生的3次和5次諧波以及一些小容量的非線性負荷。

4.濾波補償區的分析

圖中 >0的區域，其特點是系統中存在顯著的諧波源而電容器支路串聯有足夠大的電抗，使得 因而呈感性。此時電容器支路作為無功補償設備兼有部分濾波功能，故稱之為濾波補償區。

由式1可知，在 為零或很小的情況下， 對于各次諧波都是負值，都難免遇到諧波放大或諧振問題使得無功補償無法進行（常見的現象是電容器支路諧波電流過載、電容器早期損壞、熔斷器動作、控制器失靈等）。在電容器支路中串聯了足夠大的電抗使得 再變為正值，則電容器支路對諧波呈感性。系統諧波電流就不再被放大。電容器支路流進了部分諧波電流，分流了注人系統的部分諧波電流。即此時電容器支路不僅能對基波進行有效的無功補償，而且還能濾去部分諧波電流。由式（3）可見，如果 更大一些，則 值也更大一些，濾除的要少一些，反之對較小的電源系統則濾除的會多一些。在其他條件不變的情況下，電抗率增加，若 值上升，電容器支路濾除的諧波電流就減少。同樣，諧波次數增高，濾波部分也減少。當 =1時， ，即電容器支路濾除一半諧波源電流，當 >1/2時，隨 的增大，其濾波效果逐漸減弱，甚至起不到濾波作用。所以一個好的濾波器設計應保證 的取值范圍在0～1之間。

由 可知，為使3次及以上諧波在電容器支路呈感性， 所串電抗率必須滿足條件： 即大于11.1%，同理，為使5次、7次、11次及以上諧波在電容器支路呈感性的條件分別為：大于4%，大于2.04%；大于0.826%。

通常在系統諧波不超標的情況下只要求電容器能順利進行無功補償就行了，并不要求電容器支路能濾掉全部諧波。

5.并聯諧振區的分析

在-2到-1/2區間回路發生諧波電流并聯諧振的問題，諧振的中心位在 =-1處。在處理諧振問題時，既要注意諧振點位置，也要注意嚴重放大區諧波次數的上、下邊界（此時 ， 被放大到 〕。令 =-1可求出諧振中心點的諧波次數：

不難看出，電容器安裝點 比值越大或電容器支路電抗率愈大則諧振中心點諧波次數n0就越低，反之則越高。

6.全濾波補償區（串聯諧振）的分析

= 0 時，電容器支路電容與電抗，對該次諧波串聯諧振，其阻抗≈0，此時電容器除對基波進行無功補償外，還吸收了從諧波源流出的該次諧波全部電流（若不計濾波支路的電阻），此點為理想濾波點。實際的濾波器參數總有一定的偏差，濾波工作點在偏調諧位置，并可在一個工作區域內變化。

7 結論

在低壓配電系統中3，5，7次諧波為主要諧波，3次諧波占比重最大。我們選擇濾波器的工作區就是補償濾波區。

值得指出針對較高次諧波選取的 / 值，對于較低次諧波因 值可能變為負值而使該次諧波放大。如針對5次諧波電抗率取6%時，對3次諧波 ，此時Isn=1.244In，這對3次諧波放大24.4%。

如系統短路容量較小則 可能落入[-2，-1/2]的區間而造成3次諧波諧振。

在處理實際問題時，應進行必要的驗算，以防止諧波諧振。對于低壓電氣系統的無源濾波電容器支路的串聯電抗器應選用電抗率為13～14.5%，這樣能才能有效保證濾除3次諧波，雖然對5，7，9等高次諧波的濾除率不太理想，但避免了串抗的低電抗率對特征次諧波的低次諧波的放大，設計中應也不易各分支采用不同電抗率的串抗，一個原因是那樣的設計會產生各支路的間次諧振，再一個原因是無功補償和濾波的控制策略不能兼顧，往往使兩者的功能都不能實現。

參考文獻：

[1]《民用建筑工程技術措施·電氣》.中國計劃出版社，2009.

[2]《諧波抑制和無功功率補償》王兆安.機械工業出版社

[3]《民用建筑電氣設計規范》 JGJ/16-2008

[4]《工業與民用電氣設計手冊》 第三版