低壓無功補償與諧波抑制產(chǎn)品應(yīng)用探討

熊小俊

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京100044)

0 引言

大型辦公建筑、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)廠房等電力系統(tǒng)中存在大量感性負載和非線性負載，導(dǎo)致消耗大量無功功率，產(chǎn)生諧波電流。感性負載無功功率消耗會增加直接導(dǎo)致有功功率輸出減少，從而降低設(shè)備輸出效率和功率因數(shù)，典型設(shè)備如變壓器、電動機等。同時，非線性負載會產(chǎn)生諧波電流，如變頻器、UPS等。諧波電流對電能質(zhì)量和電氣設(shè)備的危害更是不言而喻。合理選擇無功補償與諧波抑制產(chǎn)品是解決以上問題的重要途徑。

1 無功補償產(chǎn)品的分類

眾所周知，供電部門明確要求用戶的平均功率因數(shù)在0.9以上。當(dāng)用戶用電設(shè)備自然功率因數(shù)偏低達不到要求時，則應(yīng)裝設(shè)必要的無功功率補償裝置，以提高功率因數(shù)。工程設(shè)計中，通常采用在變配電室低壓母線處并聯(lián)電力電容器的方式，補償或平衡電氣設(shè)備的感性無功功率，提高功率因數(shù)。補償容量可通過估算或按公式(1)計算確定。主要產(chǎn)品分類在下文進行詳細闡述。

式中，tgφ1、tgφ2為補償前、后功率因數(shù)角的正切值；Pc為計算有功功率。

1.1 純電容補償

通過在電網(wǎng)中并聯(lián)固定電容器的方式，補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)。但由于配電系統(tǒng)中存在諧波電流，電容器受電流和諧振的影響，經(jīng)常發(fā)生電容器燒毀等事故。此類產(chǎn)品屬于早期電容補償產(chǎn)品，現(xiàn)已不再使用。

1.2 LC安全補償

為避免用電系統(tǒng)中的諧波對電容器的影響，須在電容器前端串聯(lián)一定系數(shù)的電抗器，即構(gòu)成傳統(tǒng)LC安全補償裝置。同時，安全補償裝置因為串聯(lián)電抗器，構(gòu)成了LC諧振回路，所以在補償無功的同時具有一定的諧波治理能力。

LC安全補償原理及諧波抑制:電容電抗串聯(lián)回路具有調(diào)諧頻率(電抗率7%-諧振頻率189Hz、電抗率14%-諧振頻率134Hz、)，對低于這個頻率的基波呈容性，實現(xiàn)無功補償?shù)墓δ?，對于高于這個頻率的諧波電流呈感性，呈現(xiàn)低阻抗的濾波功能。因此抑制三次及三次以上諧波采用電抗率為14%的電抗器，抑制五次及五次以上諧波選用電抗率為7%的電抗器。

LC安全補償分類:根據(jù)電抗器、電容器組投切開關(guān)的不同，LC安全補償裝置又可分為兩種，一種為專用接觸器投切(靜態(tài)補償)，另一種為電子裝置投切，即晶閘管投切(動態(tài)補償)。示意圖詳見圖1。

圖1 LC安全補償

晶閘管投切與接觸器投切相比，具有對控制信號反應(yīng)速度快、通斷無次數(shù)限制、可實現(xiàn)分相補償?shù)葍?yōu)點；市場晶閘管投切電容、電抗器典型裝置有SVC(靜止無功補償裝置)，其直接將控制器、電容、電抗、晶閘管投切開關(guān)及二次控制回路，進行成套組柜。根據(jù)系統(tǒng)電壓、無功功率，通過智能無功補償控制器控制模組內(nèi)投切開關(guān)對電容器進行投切，實現(xiàn)電容器無涌流、無沖擊投入(晶閘管開關(guān)采用過零投切)，達到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、補償電網(wǎng)無功、改善功率因數(shù)、提高變壓器承載能力的目的。通常，接觸器投切一般用于穩(wěn)定負載、不頻繁投切的電容補償，而晶閘管投切更適用于快速變化負載，如冶煉、軋鋼、煤礦、化工等行業(yè)。

1.3 SVG(低壓靜止無功發(fā)生器)

SVG產(chǎn)品區(qū)別于傳統(tǒng)的LC電容補償，采用電力電子技術(shù)與無源器件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過電力電子器件的可控性實現(xiàn)無功補償雙向、快速、無極的精準(zhǔn)補償。

補償原理:SVG無功補償裝置通過外部電流互感器CT，實時檢測負載電流，經(jīng)過控制器進行計算分析負載電流中的無功分量，將負載電流的無功分量與設(shè)置值做比較，控制PWM信號發(fā)生器發(fā)出控制信號給內(nèi)部IGBT，使逆變器輸出矯正功率因數(shù)的無功補償電流，對電力系統(tǒng)的無功功率實施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進行雙向連續(xù)無功快速無極調(diào)節(jié)，達到快速補償系統(tǒng)對無功功率的需求，同時可智能調(diào)節(jié)三相輸出電流，兼具三相不平衡治理功能。示意圖詳見圖2。

圖2 SVG(有源補償)

LC安全補償(無源補償)和SVG(有源補償)主要技術(shù)指標(biāo)對比詳見表1。

主要技術(shù)指標(biāo)對比分析 表1

綜上所述，針對低壓系統(tǒng)中用到的無功補償方法，純電容補償已經(jīng)不再使用，LC補償系統(tǒng)雖然是目前的主流設(shè)計方案，但是相對于先進的SVG補償方案在功能方面和補償效果方面都相差甚遠，而先進的SVG補償方案除了補償無功功率以外還可以解決三相補償，同時在低次(3、5、7、11、13)諧波濾除上也有很好的效果且無發(fā)生諧振的風(fēng)險，因此目前低壓配電系統(tǒng)最佳的電能質(zhì)量解決方案是選用SVG產(chǎn)品。

2 諧波抑制產(chǎn)品

隨著電力電子技術(shù)及節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的非線性負載(如LED、照明設(shè)備、UPS不間斷電源以及辦公設(shè)備和動力變頻等)運行在配電系統(tǒng)當(dāng)中，造成配電系統(tǒng)的諧波含量增加，諧波的增加除了造成配電能源的浪費以外還會造成用電設(shè)備的隨機性故障，甚至引發(fā)用電安全事故。因此目前的低壓配電系統(tǒng)方案中諧波治理也是必須要考慮的。

諧波治理方案中對于用戶系統(tǒng)來講，常用的方案就是在配電系統(tǒng)低壓側(cè)加裝集中諧波治理裝置。諧波抑制裝置根據(jù)濾波原理可分為無源濾波器和有源濾波器兩類。

2.1 無源濾波器

無源濾波器由L、C等元件串聯(lián)起來，在諧波頻率構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，利用串聯(lián)諧振阻抗最低的特性，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，對相應(yīng)頻率諧波電流進行分流，提供被動式諧波電流旁路通道，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等特點，適用于負載穩(wěn)定、諧波階次單一且功率因數(shù)較低的工程。由于目前供電系統(tǒng)中諧波階次比較復(fù)雜且功率因數(shù)較高，所以該濾波方案適用性很小。

2.2 APF(有源濾波器)

有源濾波器主要是由電力電子元件構(gòu)成的電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)諧波同頻率、同幅值但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)諧波電流抵消。與無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補償各次諧波，可克服無源濾波只能濾除固定次數(shù)諧波的缺點，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；且濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。從電路工作原理上看，APF是通過外部電流互感器CT，實時檢測負載電流，通過控制器計算分析，將采集到負載電流的諧波成分通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個和負載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網(wǎng)中補償諧波電流，實現(xiàn)濾除諧波功能。示意圖詳見圖3。

有源濾波器選擇應(yīng)用時，補償電流的確定是其選擇關(guān)鍵。選型時首先應(yīng)明確諧波源的類型，如劇場的諧波源主要是燈光控制需要的可控硅、大型公建中的諧波源主要為變頻設(shè)備等，不同諧波源對應(yīng)諧波畸變率不一樣。工程設(shè)計中一般根據(jù)同類型工程測試數(shù)據(jù)或分析報告確定諧波畸變率。例如:硅整流設(shè)備總諧波畸變一般在45%～55%之間，空調(diào)變頻設(shè)備總諧波畸變一般在30%～40%之間。因此，根據(jù)設(shè)備負荷率及需要系數(shù)，結(jié)合總諧波畸變率，可較為準(zhǔn)確的算出諧波電流。從而選擇對應(yīng)的補償電流。

圖3 APF(有源濾波器)

2.2.1有源濾波器選型工程實例

某劇場舞臺燈光設(shè)備容量為800kW，采用可控硅進行調(diào)光。根據(jù)以往現(xiàn)場測試經(jīng)驗數(shù)據(jù)，劇場在正常演出時舞臺燈光設(shè)備負荷率約為50%，此時諧波電流幾乎達最大值，諧波畸變率為45%左右。取舞臺燈光設(shè)備同時系數(shù)為0.7。

因此，線路中基波電流IL＝800×50%×0.7/0.4/1.732＝404A，諧波電流IH＝(800×50%×0.7/0.4/1.732)×45%＝181.8A。可知，選擇一臺補償電流為200A的有源濾波器進行諧波治理，其零線諧波電流治理能力為600A。

SVG與APF工作原理及主電路圖比較，兩者基本一致，只是APF采用1 200V高頻IGBT，開關(guān)頻率可達到20kHz，濾波范圍在2～50次諧波，而SVG開關(guān)頻率一般為10kHz，濾波范圍在2～25次諧波。不難發(fā)現(xiàn)，SVG主要用于補償無功電流及低次諧波治理，而APF主要目的是用來濾除系統(tǒng)諧波，兼顧無功補償。

2.2.2方案選型

根據(jù)以上設(shè)備原理特點及成本，針對不同應(yīng)用場所，以上述設(shè)備為基礎(chǔ)，不斷出現(xiàn)各種類型組合方式的產(chǎn)品或方案，下文對具有代表性的組合進行介紹。

(1)SVC＋SVG

SVC主要特點為分組固定投切，相對成本較低。SVG主要優(yōu)勢為快速、精確補償，可以從0.1kvar開始進行無極補償，雙向調(diào)節(jié)，功率因數(shù)可達到0.98以上，而且能用于低次諧波抑制。因此，融合兩者特點及各自優(yōu)勢，采用SVC＋SVG模式，選型時，SVG與SVC的無功補償容量之比需根據(jù)實際需求選擇適合本項目的方案，一般可按SVG容量占總比補償容量的15%～50%選擇。工作示意簡圖詳見圖4。

(2)SVC＋APF

對于諧波含量高的設(shè)備，除了正常電容補償無功功率，諧波的抑制必不可少，尤其是高次諧波。因此LC無功補償裝置與有源濾波器的組合方案，在電能質(zhì)量要求更高的場所是必要的選擇。

圖4 SVC＋SVG工作示意簡

各類產(chǎn)品選型要點對比詳見表2。

各類產(chǎn)品選型要點對比表2

3 結(jié)束語

根據(jù)以上主要產(chǎn)品技術(shù)特點分析，筆者認為，在一般民用建筑設(shè)計中，采用SVC＋SVG組合的方式較為合理，通過分級與無極的有機結(jié)合，有效、快速地提高了功率因數(shù)，既對大多數(shù)的諧波進行了有效治理，又控制了成本。另外針對諧波治理要求更高的場所(如金融、數(shù)據(jù)機房、醫(yī)療行業(yè)等)，可參考同類型項目諧波分析報告，通過計算，增設(shè)合理參數(shù)的有源濾波器，達到提高電能質(zhì)量的目的。

由于SVG、APF等產(chǎn)品核心元器件為電力電子器件，因此，方案確定后，產(chǎn)品核心元器件的電磁兼容性、散熱結(jié)構(gòu)、使用壽命等直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的因數(shù)也不容忽視。