电力谐波抑制与无源电力滤波技术（2） 串联电抗器, 技术, 谐波

yuyang911220

当母线电压谐波含量小于5%，且无谐波电流抑制、滤波需求时，可采用串联失谐电抗器。3次谐波电压含量低于0.5%时可采用6%或7%电抗器;3次谐波电压含量高于0.5%时应采用13%以上电抗器。
当负载谐波较重或有滤波需求时，应采用调谐电抗器、无源滤波器或有源滤波器。当采用调谐电抗器时，电容器亦应采用滤波电容器。
采用调谐电抗器或无源滤波器时，通常需要较为复杂的测试与设计，方可取得良好效果，并需要进行安全运行校验，以保证设备安全运行。
且串联电抗器后，电容器工作电压和无功输出均增加，增加量等于串联电抗器比重。
2. 无源电力滤波器
2.1无源电力滤波器的基本构造与工作原理
图10和图11分别为无源电力滤波器的主回路原理图及其谐波等效电路。由滤波电容器和电抗器串联构成一个或多个串联谐振滤波支路，分别谐振于需滤除的主要谐波频率，各滤波支路均与谐波负载并联，对负载谐波电流构成分流支路。


假定负载谐波电流和网侧谐波电流分别为Ilh和Ish，电网谐波电压为Ush，电网谐波等效阻抗和滤波器谐波阻抗分别为Zsh和Zfh，由无源电力滤波器的谐波等效电路可得描述其滤波特性的方程：


在对谐波频率串联谐振状态下，滤波支路对谐波电流呈现很低的阻抗，通常显著低于电网对谐波的等效阻抗，因此大部分谐波电流将被滤波器分流而不再流入电网，使Ish显著小于Ilh，从而得到良好的滤波效果。电网中的谐波电压也会在无源滤波器中产生谐波电流，需在滤波器设计时将此部分电流控制在较低水平。
对于工频基波电压而言，无源滤波器等效为一个电容器，可补偿负载所需无功功率。
通常，1个调谐支路只能滤除单一频率的谐波，当需要滤除多种谐波时需要采用多个调谐支路，分别调谐与不同谐波频率。图12时采用三个调谐支路分别调谐于5次、7次和11次谐波频率时所获得的滤波特性。


上述由电抗器与电容器串联谐振所构成的无源滤波支路称作单调谐滤波器，是最简单也是最常用的无源滤波支路。除此之外，还有许多其它类型的无源滤波支路，如图13所示。


2.2 影响无源滤波器效果的主要因素
无源电力滤波器的工作原理是低阻抗并联分流，是被动滤波。由(4)式可以看出，无源电力滤波器的滤波效果是由滤波器的谐波阻抗和电网谐波阻抗共同决定的。对同一个无源滤波器而言，当电网内阻抗较小时滤波效果变差，如图14所示;对于相同的电网谐波阻抗而言，滤波器容量较小时，其谐波阻抗增加，滤波效果变差，如图15所示。




2.3无源电力滤波器滤波效果实例
图16为某企业无源电力滤波器滤波效果实测结果。由于该谐波负荷11次以上高次谐波含量丰富，滤波器设计充分考虑了对高次谐波的滤除效果。实测结果表明，滤波器对谐波电流的总滤除率在60%以上，滤波器投入前母排电压谐波含量高达8.2%，滤波器投入后降为4.3%，达到国家标准要求。


2.4无源电力滤波器系统构成
图17为典型无源电力滤波器系统图。系统由无源滤波支路、投切控制开关、保护元件、系统控制器等部分构成。投切开关可以采用机械开关，也可以采用晶闸管固态开关，主要视投切频繁程度而定。


2.5无源电力滤波器的设计选用
设计选用无源电力滤波器需注意以下几个方面：
(1)滤波器的额定电压等级和基波频率要与系统一致;
(2)确认系统中有无中线谐波滤波需求，有则选用3相4线系统;无则选用3相3线系统;
(3)无源滤波器的基波无功容量应符合系统无功补偿需求;
(4)滤波支路需根据系统谐波频谱进行设计或选用，必须从系统中最低次主要谐波开始;常用无源滤波器支路组合：无3次谐波时：5次，5次+7次，5次+7次+11次;有3次谐波时：3次，3次+5次，3次+5次+7次;
(5)滤波器各支路分流的谐波电流强度不得超过该滤波支路的谐波电流额定值;
(6)要根据系统阻抗和谐波电压含量进行滤波效果校验和安全运行校验。
(7)无源电力滤波器一般不可与常规无功补偿电容器并联运行，否则仍会导致谐波放大，如图18。


2.6 滤波电容器安全运行校验
设计选用无源电力滤波器时，必须对滤波电容器进行安全运行校验，以确保电容器的安全运行。安全运行校验的基本原则是，电容器的实际工作电压和实际工作电流，在最坏情况下均不得超过电容器的额定值，并应留有适当安全余量。电容器的实际工作电压和实际工作电流可按下式计算：


其中：α为串联电抗率;ω为工频角频率;h为谐波次数;US为系统电压;ICf和ICh分别为流过电容器的基波电流和h次谐波电流
3.无源电力滤波器与有源电力滤波器的对比
无源电力滤波器具有结构简单、造价低等优点得到广泛应用，但无源滤波器的滤波效果并不理想。在许多场合，由于各种因素的制约，采用无源滤波器后，谐波水平仍达不到相关标准要求。设计不良的无源滤波器还可能在滤除某些频率谐波的同时导致另外一些频率的谐波被放大。有源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方向，具有许多无源滤波器无法比拟的优点。关于有源电力滤波器的讨论已超出本文的范围，表1为无源电力滤波器与有源电力滤波器的对比，可供参考。


五 结 语
电力谐波问题是一种电网污染和公害，已引起人们的高度关注。在节能减排呼声日益增高的形势下，采取正确技术措施对电力谐波进行治理更加必要。采用电抗器等无源器件实现电力谐波抑制和谐波滤除，具有简单有效的突出优点，仍然是目前治理电力谐波问题的主要技术手段。正确掌握这一技术手段，有效治理电力谐波，具有重要意义。推广、应用电力谐波治理技术是有关专业技术人员义不容辞的责任。