電力諧波抑制與無(wú)源電力濾波技術(shù)

當(dāng)母線電壓諧波含量小于5%，且無(wú)諧波電流抑制、濾波需求時(shí)，可采用串聯(lián)失諧電抗器。3次諧波電壓含量低于0.5%時(shí)可采用6%或7%電抗器;3次諧波電壓含量高于0.5%時(shí)應(yīng)采用13%以上電抗器。

當(dāng)負(fù)載諧波較重或有濾波需求時(shí)，應(yīng)采用調(diào)諧電抗器、無(wú)源濾波器或有源濾波器。當(dāng)采用調(diào)諧電抗器時(shí)，電容器亦應(yīng)采用濾波電容器。

采用調(diào)諧電抗器或無(wú)源濾波器時(shí)，通常需要較為復(fù)雜的測(cè)試與設(shè)計(jì)，方可取得良好效果，并需要進(jìn)行安全運(yùn)行校驗(yàn)，以保證設(shè)備安全運(yùn)行。

且串聯(lián)電抗器后，電容器工作電壓和無(wú)功輸出均增加，增加量等于串聯(lián)電抗器比重。

2. 無(wú)源電力濾波器

2.1無(wú)源電力濾波器的基本構(gòu)造與工作原理

圖10和圖11分別為無(wú)源電力濾波器的主回路原理圖及其諧波等效電路。由濾波電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)諧振濾波支路，分別諧振于需濾除的主要諧波頻率，各濾波支路均與諧波負(fù)載并聯(lián)，對(duì)負(fù)載諧波電流構(gòu)成分流支路。

假定負(fù)載諧波電流和網(wǎng)側(cè)諧波電流分別為Ilh和Ish，電網(wǎng)諧波電壓為Ush，電網(wǎng)諧波等效阻抗和濾波器諧波阻抗分別為Zsh和Zfh，由無(wú)源電力濾波器的諧波等效電路可得描述其濾波特性的方程：

在對(duì)諧波頻率串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波支路對(duì)諧波電流呈現(xiàn)很低的阻抗，通常顯著低于電網(wǎng)對(duì)諧波的等效阻抗，因此大部分諧波電流將被濾波器分流而不再流入電網(wǎng)，使Ish顯著小于Ilh，從而得到良好的濾波效果。電網(wǎng)中的諧波電壓也會(huì)在無(wú)源濾波器中產(chǎn)生諧波電流，需在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)將此部分電流控制在較低水平。

對(duì)于工頻基波電壓而言，無(wú)源濾波器等效為一個(gè)電容器，可補(bǔ)償負(fù)載所需無(wú)功功率。

通常，1個(gè)調(diào)諧支路只能濾除單一頻率的諧波，當(dāng)需要濾除多種諧波時(shí)需要采用多個(gè)調(diào)諧支路，分別調(diào)諧與不同諧波頻率。圖12時(shí)采用三個(gè)調(diào)諧支路分別調(diào)諧于5次、7次和11次諧波頻率時(shí)所獲得的濾波特性。

上述由電抗器與電容器串聯(lián)諧振所構(gòu)成的無(wú)源濾波支路稱作單調(diào)諧濾波器，是最簡(jiǎn)單也是最常用的無(wú)源濾波支路。除此之外，還有許多其它類型的無(wú)源濾波支路，如圖13所示。

2.2 影響無(wú)源濾波器效果的主要因素

無(wú)源電力濾波器的工作原理是低阻抗并聯(lián)分流，是被動(dòng)濾波。由(4)式可以看出，無(wú)源電力濾波器的濾波效果是由濾波器的諧波阻抗和電網(wǎng)諧波阻抗共同決定的。對(duì)同一個(gè)無(wú)源濾波器而言，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)阻抗較小時(shí)濾波效果變差，如圖14所示;對(duì)于相同的電網(wǎng)諧波阻抗而言，濾波器容量較小時(shí)，其諧波阻抗增加，濾波效果變差，如圖15所示。

2.3無(wú)源電力濾波器濾波效果實(shí)例

圖16為某企業(yè)無(wú)源電力濾波器濾波效果實(shí)測(cè)結(jié)果。由于該諧波負(fù)荷11次以上高次諧波含量豐富，濾波器設(shè)計(jì)充分考慮了對(duì)高次諧波的濾除效果。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，濾波器對(duì)諧波電流的總濾除率在60%以上，濾波器投入前母排電壓諧波含量高達(dá)8.2%，濾波器投入后降為4.3%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4無(wú)源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成

圖17為典型無(wú)源電力濾波器系統(tǒng)圖。系統(tǒng)由無(wú)源濾波支路、投切控制開(kāi)關(guān)、保護(hù)元件、系統(tǒng)控制器等部分構(gòu)成。投切開(kāi)關(guān)可以采用機(jī)械開(kāi)關(guān)，也可以采用晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)，主要視投切頻繁程度而定。

2.5無(wú)源電力濾波器的設(shè)計(jì)選用

設(shè)計(jì)選用無(wú)源電力濾波器需注意以下幾個(gè)方面：

(1)濾波器的額定電壓等級(jí)和基波頻率要與系統(tǒng)一致;

(2)確認(rèn)系統(tǒng)中有無(wú)中線諧波濾波需求，有則選用3相4線系統(tǒng);無(wú)則選用3相3線系統(tǒng);

(3)無(wú)源濾波器的基波無(wú)功容量應(yīng)符合系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償需求;

(4)濾波支路需根據(jù)系統(tǒng)諧波頻譜進(jìn)行設(shè)計(jì)或選用，必須從系統(tǒng)中最低次主要諧波開(kāi)始;常用無(wú)源濾波器支路組合：無(wú)3次諧波時(shí)：5次，5次+7次，5次+7次+11次;有3次諧波時(shí)：3次，3次+5次，3次+5次+7次;

(5)濾波器各支路分流的諧波電流強(qiáng)度不得超過(guò)該濾波支路的諧波電流額定值;

(6)要根據(jù)系統(tǒng)阻抗和諧波電壓含量進(jìn)行濾波效果校驗(yàn)和安全運(yùn)行校驗(yàn)。

(7)無(wú)源電力濾波器一般不可與常規(guī)無(wú)功補(bǔ)償電容器并聯(lián)運(yùn)行，否則仍會(huì)導(dǎo)致諧波放大，如圖18。

2.6 濾波電容器安全運(yùn)行校驗(yàn)

設(shè)計(jì)選用無(wú)源電力濾波器時(shí)，必須對(duì)濾波電容器進(jìn)行安全運(yùn)行校驗(yàn)，以確保電容器的安全運(yùn)行。安全運(yùn)行校驗(yàn)的基本原則是，電容器的實(shí)際工作電壓和實(shí)際工作電流，在最壞情況下均不得超過(guò)電容器的額定值，并應(yīng)留有適當(dāng)安全余量。電容器的實(shí)際工作電壓和實(shí)際工作電流可按下式計(jì)算：

其中：α為串聯(lián)電抗率;ω為工頻角頻率;h為諧波次數(shù);US為系統(tǒng)電壓;ICf和ICh分別為流過(guò)電容器的基波電流和h次諧波電流

3.無(wú)源電力濾波器與有源電力濾波器的對(duì)比

無(wú)源電力濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但無(wú)源濾波器的濾波效果并不理想。在許多場(chǎng)合，由于各種因素的制約，采用無(wú)源濾波器后，諧波水平仍達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)不良的無(wú)源濾波器還可能在濾除某些頻率諧波的同時(shí)導(dǎo)致另外一些頻率的諧波被放大。有源電力濾波器是電力諧波治理技術(shù)的最新發(fā)展方向，具有許多無(wú)源濾波器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于有源電力濾波器的討論已超出本文的范圍，表1為無(wú)源電力濾波器與有源電力濾波器的對(duì)比，可供參考。

五 結(jié) 語(yǔ)

電力諧波問(wèn)題是一種電網(wǎng)污染和公害，已引起人們的高度關(guān)注。在節(jié)能減排呼聲日益增高的形勢(shì)下，采取正確技術(shù)措施對(duì)電力諧波進(jìn)行治理更加必要。采用電抗器等無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)電力諧波抑制和諧波濾除，具有簡(jiǎn)單有效的突出優(yōu)點(diǎn)，仍然是目前治理電力諧波問(wèn)題的主要技術(shù)手段。正確掌握這一技術(shù)手段，有效治理電力諧波，具有重要意義。推廣、應(yīng)用電力諧波治理技術(shù)是有關(guān)專業(yè)技術(shù)人員義不容辭的責(zé)任。

參考文獻(xiàn)

[1] George J. W.(徐政譯)電力系統(tǒng)諧波. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003

[2] 王兆安等. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998