無(wú)功補(bǔ)償及無(wú)源濾波研究

吉斌，陳 淮，賈源森，龍文建，唐劍，王 婧（中國(guó)中材國(guó)際（南京）工程股份有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于變頻器設(shè)備大量使用，變頻器產(chǎn)生了大量諧波電流注入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成污染，對(duì)供電設(shè)備的性能產(chǎn)生影響甚至使設(shè)備受損。因此在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)諧波電流進(jìn)行治理，使注入電網(wǎng)的諧波電流滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前諧波電流治理技術(shù)主要有無(wú)源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)兩種，本文僅對(duì)無(wú)源濾波技術(shù)方案進(jìn)行介紹，該方案是利用電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置配置合理的電抗器實(shí)現(xiàn)無(wú)源濾波功能。通過(guò)對(duì)供配電系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償裝置各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配合，在保證無(wú)功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行的前提下，使無(wú)源濾波設(shè)備能最大程度地濾除諧波電流。

1 無(wú)功補(bǔ)償

工業(yè)生產(chǎn)中使用的電動(dòng)機(jī)需要無(wú)功電流。如果從電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)提供無(wú)功電流，電網(wǎng)的功率因數(shù)會(huì)降低，供電設(shè)備利用率也會(huì)降低。為了提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和供電設(shè)備的利用率，通常在用電端配置無(wú)功補(bǔ)償裝置為電動(dòng)機(jī)提供無(wú)功電流。電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置作為一種重要的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)手段，已成為供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用技術(shù)方案。該方案系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 在用電端配置電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置

無(wú)功補(bǔ)償容量由（1）式計(jì)算：

Qc—補(bǔ)償容量（kVar）；Pc—最大負(fù)荷有功功率(kW)；tanφ1—最大負(fù)荷功率因數(shù)角正切值；tanφ2—要求達(dá)到的功率因數(shù)角正切值。

根據(jù)式（1）計(jì)算的無(wú)功補(bǔ)償容量來(lái)選擇電容器的容量，選擇電容器容量要根據(jù)補(bǔ)償回路中電抗器、電容器額定電壓和工作電壓等因素進(jìn)行修正，以滿足補(bǔ)償?shù)膶?shí)際需求。補(bǔ)償裝置所配置的電容器額定容量（Qe）要大于實(shí)際補(bǔ)償容量（Qc）。

2 無(wú)源濾波器

2.1 無(wú)源濾波器電路構(gòu)成

無(wú)源濾波器(Passive Power Filter)是由電容器、電抗器元件構(gòu)成的諧振電路（LC）。無(wú)源濾波器裝置就是利用配電系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償電容器和與之匹配的電抗器構(gòu)成無(wú)源濾波裝置。這樣無(wú)功補(bǔ)償和諧波電流治理兩個(gè)功能由一個(gè)裝置完成。

2.2 無(wú)源濾波器工作原理

電抗器和電容器的電抗是與電流的頻率相關(guān)，圖2構(gòu)成的諧振電路總電抗（Z）由（2），（3），（4）式計(jì)算：

電抗器的感抗XL隨電流頻率的增大而增大，電容器的容抗XC隨電流頻率的增大而降減小。由于流過(guò)電抗器與電容器的電流相位相反，式（2）中對(duì)于某次頻率諧波的總電抗可能為零，構(gòu)成諧振特性。無(wú)源濾波就是利用LC電路阻抗對(duì)某次諧波最小，流過(guò)該電路的某次諧波電流就最大特性實(shí)現(xiàn)濾除諧波電流。無(wú)源濾波裝置方案如圖2所示。

圖2 無(wú)源濾波裝置方案

變頻器是諧波電流源，它產(chǎn)生的諧波電流有兩個(gè)流向，一個(gè)是電網(wǎng)，另一個(gè)是電容器回路。每個(gè)回路的阻抗大小決定了諧波電流流入的大小。如果電容器回路阻抗最小，流入電容器回路的諧波電流就最大，這樣就減少了流入電網(wǎng)的諧波電流。電容器回路就起到了濾除諧波電流的效果。

3 無(wú)源濾波效果

在供配電系統(tǒng)中，6脈沖變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流次數(shù)是n=6m±1（m為1，2，3，4……），即5，7，11，13次等。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)，周期性的非正弦電流可以用（5）式表示，即表示為基波和5，7，11，13等次正弦波。

在工程設(shè)計(jì)中，各次諧波電流大小計(jì)算比較困難，一些諧波治理的測(cè)試報(bào)告和變頻器相關(guān)技術(shù)資料顯示，6脈沖變頻器諧波電流大概在30%左右，根據(jù)式（5）計(jì)算諧波電流也基本在30%左右。但計(jì)算的各次諧波電流量大小與實(shí)際測(cè)量是有偏差的。

3.1 LC回路中配置不同電抗率的電抗器阻抗

假設(shè)圖3配電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，根據(jù)式（2）（3）（4）計(jì)算出電抗率（k）4%和4.5%的LC回路Zc見(jiàn)表2和表3。

表1 假設(shè)圖3配電系統(tǒng)參數(shù)

表2 k=4%的LC回路的阻抗Zc Ω

從表2中看出，電抗率4%時(shí)，LC電路對(duì)5次諧波阻抗為0Ω，LC電路對(duì)5次諧波電流濾除效果最佳。其它各次諧波濾除效果較差。但配4%電抗對(duì)5次諧波是一個(gè)諧振點(diǎn)，會(huì)放大5次諧波電流，容易使電容器在過(guò)電流狀態(tài)下運(yùn)行，電容器容易損壞。所以電抗率的配置應(yīng)避開(kāi)各次諧波的諧振點(diǎn)。

從表3中看出，電抗率4.5%時(shí)，沒(méi)出現(xiàn)0 Ω阻抗，但還是5次諧波阻抗最小，對(duì)5次諧波濾除效果最佳，阻抗不為零，從而避開(kāi)了諧振點(diǎn)。

由表4可見(jiàn)，改變變壓器的阻抗電壓，ZT會(huì)發(fā)生改變。

表3 k=4.5%的LC回路的阻抗Zc Ω

表4 電網(wǎng)回路阻抗ZT Ω

3.2 流入LC回路和電網(wǎng)回路諧波電流計(jì)算

供配電系統(tǒng)圖2的等效電路見(jiàn)圖3。根據(jù)式（6）和（7）計(jì)算出LC回路配置不同電抗率的電抗器，流入LC回路和電網(wǎng)的諧波電流見(jiàn)表5和表6。

圖3 供配電系統(tǒng)圖3的等效電路

流入LC回路諧波電流：

流入電網(wǎng)諧波電流：

表5 k=4.5%時(shí)流入LC回路的諧波電流 A

通過(guò)表5和表6中的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)電抗率4.5%時(shí)濾除電流達(dá)111.8 A，電抗率7%時(shí)濾除的諧波電流只有40.1 A，諧波治理效果顯然4.5%電抗率要優(yōu)于7%電抗率。

表6 k=7%時(shí)流入LC回路的諧波電流 A

4 結(jié)語(yǔ)

在諧波治理的方案中，由于無(wú)源濾波投資低，通過(guò)配電系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)合理的配合，諧波濾除效果是非常明顯的。在一些諧波電流非常大的配電系統(tǒng)中，可以配合有源濾波器使用，降低有源濾波的容量，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的諧波治理效果。