强谐波环境下的无功功率补偿技术

王锋，强顺义

(陕西凌云电器集团有限公司机动能源处，陕西宝鸡721006)

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。非线性功率用电设备产生谐波电流，甚至使用隔离变压器和整流电抗都不能改变。一方面谐波电流导致电压谐波;另一方面，这些谐波电流本身就是网络上附加的负荷并且能显著导致电容器组的过载。在这种情况下发生谐振且谐波电流振荡放大并导致一个更高的负荷较危险。本文通过单调谐无功补偿装置与谐波滤波装置相结合的方案来探讨解决强谐波的问题［1－2］。

1 问题的提出

蓄电池新厂区变电站的变压器主要负责给蓄电池所有化成电源供电，其变压器容量为1 600 kW，所带化成电源的装机容量达2 500 kW以上，电容补偿柜的容量为1 080 kW。如此集中的高负荷、高比例补偿量较为罕见［3］。

化成电源是一种高谐波、低功率因数的设备，在工作时将产生5次、7次和11次等高次谐波，由于电容的阻抗与频率成反比，谐波次数越高、含量越大，对补偿电力电容器等容性设备的损伤越大，特别是谐波放大后将会对其他电器的绝缘强度有很大的破环性，使电器的漏电流增加直至绝缘被击穿，引发事故。另外电容器和网络形成并联共振回路，使谐波电流放大、使系统电流和电压畸变更加严重。这样就会导致变压器的基波负载容量下降、温升变高，加速变压器的损耗、老化［4］。

无功功率补偿如果采用传统的补偿方式不仅电容器维护费用高，而且严重缩短变压器、线路及电气元件寿命，造成网络系统损耗增加，变压器带负荷能力下降，电网投资增大。如果取消无功补偿则变压器及整个系统将无法安全运行。所以既要考虑无功补偿提高功率因素，同时也要采取措施抑制谐波。

2 问题分析

蓄电池化成电源在工作时产生的谐波用Fluke仪表测试发现:谐波含量达到基波总量20%的波约占10%。针对蓄电池化成电源谐波含量及成份的特点，提出了两套方案。

2.1 单调谐无功补偿装置

根据蓄电池化成电源5次谐波占总谐波80%的特点，采用6%串抗的单调谐无功补偿装置予以解决。它既能限制谐波电流，又能抑制合闸涌流，对5次及以上高次谐波的抑制，效果理想，基本可消除掉谐波谐振的发生。

所谓单调谐无功补偿装置，即每段由电容器及调谐电抗器串联组成。调谐频点为204 Hz。无功补偿电容器组无论分几段投切，调谐频点只有1个。

电容器容量选择依据在基波频率时，系统所需补偿的无功功率而确定，调谐电抗器的电感值则是容抗XC的6%。电抗器和电容器串联的谐振频率低于电网的最低次谐波频率，这样可使电网避免产生谐振。对于高于此串联自谐振频率的频率而言，该回路呈感性，这意味着它不可能激活任何谐振，避免了谐振放大问题，也抑制了投切电容的涌流。而在低于谐振频率时，谐振电路呈容性，具有谐波滤除和无功补偿两大功能，在提高功率因数的同时有效地保护了补偿电力电容器。

2.2 谐波滤波装置

谐波滤波装置是针对蓄电池化成电源产生的特征谐波电压、电流的大小而做制的滤波设备，其等效原理图如图1所示。

图1 针对特定次数的谐波滤波电路

它由电容器、串联电抗器组成，实际谐波吸收率达70%以上。依据具体谐波的频率特性，根据电容、电抗、电阻固有的阻抗特性，对某一特定谐振频率相近或相等的谐波呈低阻抗，为负载谐波电流提供较低的阻抗通道，与电网阻抗形成分流关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，而不进入电网;高通滤波器则对截止频率以上的谐波均呈现低阻抗。

如图1所示，针对系统中的谐波次数，设计了相应的滤波支路。控制器通过CT检测电流信号，直接从电源取电压信号，经快速傅里叶分析，剥离出谐波分量，根据谐波次数和含量，自动投入相应的滤波支路，滤除相应次数的谐波，使谐波含量始终保持在国家标准范围以内。而且，在谐振点以下，支路呈容性，因此还具有对基波无功补偿，提高电网功率因素的作用。

滤波装置的各项参数公式如下，调谐频率调谐次数

其中，q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30～60。

高通滤波器的复数阻抗

截止频率

结构参数一般取m=0.5～2;q=0.7～1.4。

该谐波滤波装置的调谐频点根据系统需要设计，其中5次调谐频点为250 Hz;7次调谐频点为350 Hz;11次调谐频点为550 Hz。

3 问题解决技术

当系统谐波含量低时，采用单调谐无功补偿装置可以达到有效保护电容器的目的。但由于电网谐波含量高，单独采用单调谐无功补偿装置，无法消除电网中含有的大量谐波，其他电器元件业无法可靠运行;相反，如果单独使用谐波滤波装置，由于滤波支路表现出电容特性，所以在电压作用下，会产生超前的无功电流，这样就存在一个问题，在使用无源电力滤波器同时还会进行无功补偿，如果系统原有的无功含量不大，那么就会出现无功功率过补，功率因数可能因此下降，而且会提升电网电压，这对一些设备也是不安全的。所以采用单调谐无功补偿装置与谐波滤波装置结合的方案。

在无功补偿过程中，使补偿电容器容量按8∶4∶2∶1分配，当有功功率不足变压器容量的30%时，采用小容量单调谐无功补偿装置投切;当有功功率超过变压器容量的30%时，采用谐波滤波装置投切为主，单调谐无功补偿装置投切为辅的方式。

在由滤波电抗器和电容器组成的串联电路中，在电抗器上存在着一个电压降，它导致加到电容器上的电压升高。电抗系数越高，电压增加越大。电压的增加Uc=Un/(1－P)。其中，Uc为电容器实际电压;Un为系统电压;P为电抗系数P(%)=XL/Xc。

在串联电抗器的补偿系统中，目标补偿容量和电容器的标称容量之间有Qc=(Uc/Un)2×Qn×(1－P)。其中，Qc为实际配置的电容器标称容量，Uc为标称电压;Un为系统电压;Qn为目标补偿容量;P为电抗系数。

此外，由于谐波的存在可能导致安装在电网中的电容器产生过载，并且用作功率因数自动调节的电容器回路开关闭合时可能产生超过电容器允许值的峰值浪涌电流，所以不仅要采取相应的过压、过流、过温等保护措施，还将功率补偿中投切器件由传统的交流接触器改为晶闸管功率模块(TCD)。TCD可快速响应负荷变化，实现平滑投切，投入无涌流、切离时无暂态电流，分合操作速率达到20 ms，从而保证了各类化成电源的高速实时补偿。

4 效果评价

该方案在蓄电池迁建改造项目变电站工程中顺利实施，使用近一年来效果显著，如图2和图3所示，有效地显示了该项目的成果。图2所示是电容补偿无投入电网前的各项参数。

图2 改造前实测示波器数据

图3所示是电容补偿投入电网后的各项参数。

在没有投入无功功率补偿前，功率因数为0.63，投入无功功率补偿后，功率因数为0.98，从表1可明确看到各项参数的差别。

图3 电容补偿投入电网后的各项参数

表1 各项参数的差别

在有功功率变化不大的情况下，投入无功功率补偿后变压器电流由2 043 A降低到1 115 A，电压由395.9 V升高到411.4 V，视在功率由1 330 kW降低到767 kW，提高了变压器的带负载能力，电容器工作可靠，平均吸收谐波60%以上。

5 经济效益分析

假设采用普通电容器补偿方式，功率因数可能达到0.9以上，但是设备无故障运行时间最多只能维持约4个月，并且谐波被放大后，电网内电器元件故障率猛增，设施维护费用增大，每年用于电容器更换的费用达到6万元以上，同时维修期间功率因数下降，每年累计要交的力率罚款将达到9千元以上，而且本系统自运行以来已累计奖励力率电费2万余元。这不包括谐波含量严重超标后造成的线路、电器异常发热等引起的安全隐患、事故损失。所以，采用化成电源无功功率补偿装置不仅降低了变压器的损耗、提高了功率因数，而且有效地保护了电容器，达到了安全可靠运行的目标。

［1］ 吕晓洁，刘园，沈建冬．基于DSP的动态无功补偿装置的研制［J］．电子科技，2008(1):18－21．

［2］ 王易平．基于GTO的静止无功补偿装置研究［J］．现代电子技术，2010(11):168－171．

［3］ 贺为婷．无功补偿容量的优化分析［J］．现代电子技术，2003(10):108－109．

［4］ 候志敏．基于80C196KC单片机的电力补偿装置控制系统设计［J］．现代电子技术，2003(22):75－77．