谐波情况下的无功补偿设计

0 引言

随着变频器、电力节电器等非线性负荷的推广使用，电力网的谐波含量越来越大。电网谐波对电力无功补偿设备有着极大的影响，在谐波严重的局部电网，无电抗的电容器无功补偿设备几乎无法工作。许多企业采用电容器串接电抗器的无功补偿方式来回避谐波，但是由于不清楚电抗值的计算方法，不仅达不到理想补偿效果，反而造成了谐波放大。一些企业选用了无源滤波器，但由于没有对电网参数精确测算，投入运行后不能正常运行。针对低压系统无功补偿的谐波治理问题，本文对补偿电容器串接电抗器的设计计算进行了详细的说明，还对无源滤波器在设计中的模糊概念进行了澄清，提出了用串接电抗器解决电网谐波下无法使用无源滤波器的问题，并给出了实用的计算方法。

1 谐波的主要构成成分

谐波产生的原因是多种多样的，但电网谐波的主要构成并不复杂。电网谐波是指基波的整数倍的高次波，即2、3、4、5……次谐波。各次谐波中，偶次谐波是由于信号正负半周的不对称所形成的，而电网中电流正负半周的不对称的情况不常见，因此偶次谐波的含量很小。在三相系统中，3、6、9……等3 的整数次谐波的相位相同，在三相三线的系统中不能流通，在三相补偿电容器中也不能流通。只要不是分相补偿就不需要考虑3 的整数次谐波的影响。

在多数情况下，谐波是由非线性负荷产生的，主要是整流滤波，它在电网中产生PN依1 次谐波，P是一周内整流形成的直流波头数，N 是自然数，三相整流最低谐波次数是5 次。

在中频炉、变频器等逆变类负荷中，逆变频率与电网频率无关，会产生频率并不是基波的整数倍谐波，有人称其为分数次谐波。但这些谐波被整流滤波电路隔离不会直接反馈到电网中去。

在电弧炉、电解铝、氯碱厂等大型冲击性不对称负荷中，虽然谐波的成分非常复杂且含量很大，但由于其工作的间断性产生的谐波多为间谐波，特点是持续时间短，频谱杂乱，叠加后形成白噪声。这类谐波可以通过在谐波负载前加装低通滤波器进行治理。

电力机车是人们公认的谐波源，但电力机车主要形成的是陷波和不平衡负载，通过Y/吟接线的变压器后3 的倍数次谐波被隔离，注入电网的谐波成分与逆变类负荷一样，所以电网谐波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次谐波。

2 谐波对无功补偿的影响

当谐波源位于进行补偿的局部电网中时称为内网谐波。对于内网谐波，补偿电容与系统阻抗(包括主变压器漏电抗和电网阻抗)之间是并联关系，如果并联谐振频率刚好与谐波源频率相等就会发生并联谐振，出现谐波电流放大现象，此时即使电容器补偿容量大于谐波源容量，电容器也可能过负荷。内网谐波源容量通常小于局部网主变压器容量，应该使用并联滤波器将其吸收。

当谐波是由上一级电网经主变压器窜入本级电网时称为外网谐波。对于外网谐波，补偿电容与系统阻抗之间是串联关系，如果串联谐振频率刚好与系统中谐波源频率相等就会发生串联谐振，出现谐波电压放大现象，可能造成补偿电容器过负荷。由于系统谐波源往往容量较大，此时使用并联滤波器将其吸收通常是不可能的，所以只能采取串接电抗器滤波的方式阻止过量的谐波进入电容器。因此，只有区分内网谐波与外网谐波，才能采用正确的补偿滤波方式，这是十分重要的。

3 外网谐波下无功补偿设计

依据电网中没有2、3、4 次谐波的特点，工程上采用在补偿电容器上串接电抗器的方法来抑

串联电抗后，电容串联电路的谐振频率点降到了5 次谐波以下，由于系统中5 次以下的谐波含量很少，所以不会发生串联谐振。呈现的电气特性是，对于大于谐振频率点的谐波电容串联电路呈现感性，对于低于谐振频率点的基波电容串联电路呈现容性。

人们容易认为只要串接电抗器后电路对系统谐波呈感性就可以起到抑制谐波的作用了，其实不然，如果电路的谐振点选得过高，不仅不能抑制谐波，反而可能放大谐波。从图1 的曲线2 的特征可以看出，尽管串接电抗后在5 次谐波频点上电路特性成为感性，但其电抗的模值却小于串电抗之前曲线1 的模值。也就是说串接电抗后流入电容器的5 次谐波电流更大了。所以在选择电抗器电抗值时应该保证串接电抗后最低次谐波的阻抗模值不降低，实际设计中可以根据系统的电压谐波Esk的大小，计算出可能出现的最大的流入补偿电容器的谐波电流，并计算出主要谐波电流和基波电流的均方根值，用均方根值校验有谐波时电容器的过载情况。各次谐波电流的计算方式为

在分组投切的电容器补偿系统中，电抗器要串接在分组电容器上，不能用一组电抗器带多组电容。在电容器的补偿容量可能会变小的场合(例如自愈式电容器)，计算要有一定的富裕量，避免谐振点上移造成阻波失效。

也不是说串接电抗越大越好。从图1 可以看到串接电抗后串联回路的基波总阻抗也减小了，而电容器的容抗并没有变，所以当电容器串接了电抗器之后，电容器的工频基波端电压会升高。电压升高后的值接近于串接电抗前工作电压的XC/(XC-XL)倍，电抗选得越大电压升高越多，故在选择电容器的额定电压时必须高过这个电压。除考虑基波电压升高外，还应该考虑谐波电压会叠加在基波电压之上出现的尖峰电压。可用尖峰电压校验电容器短时过电压能力，一般电力电容器都应达到过电压170% 1 min 不击穿的耐压水平，如果所用的产品耐压达不到要求，就需要把电容器额定电压再提高10豫耀20%。