无功补偿与谐波抑制

“谐波” (Harmonic) 一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础。傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用, 人们对谐波的认识最先是20世纪20至30年代, 当时德国人使用静止汞弧变流器引起了电力系统电压、电流的波形产生畸变, 之后许多专家学者开始进行了谐波的研究, 并确立了谐波在电力网络和用电设备中的一系列标准和规定, 自此, 人们越来越重视谐波的治理问题。并联电容器可以调节电网系统的电压, 提高系统的无功及功率因数, 从而提高电网的传输能力。随着电网的更新换代, 越来越多的并联电容器被投运到电网中来, 并由于其对谐波的放大作用, 使得电网谐波问题越来越严重, 既影响了网络的传输质量, 又增加了电力网络的损耗, 作为电力系统的一份子, 我们很有必要研究一下电力网络谐波的来龙去脉, 为提高电力网络传输质量, 保证电力系统的稳定运行, 提供一些保证措施。

1 并联电容器和谐波的相互影响

理想的公用电网所提供的电压是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。实际公用电网中存在谐波源, 公用电网中谐波源主要是各种电力电子装置 (含家用电器、计算机等的电源部分) 、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。因而补偿电容严重的缺点是与谐波之间的相互影响包括以下几点。

1.1 谐波对并联电容器的直接影响

谐波电流叠加在电容器的基波电流上, 使电容器电流有效值增大, 温升增高, 从而降低电容器的使用寿命, 使电容器损坏。而谐波电压叠加在电容器基波电压上, 使电容器电压有效值及电压峰值大大增加, 使电容器运行中发生的局部放电不能熄灭。这往往是使电容器损坏的一个主要原因。

1.2 并联电容器对谐波的放大

在没有电容设备且不考虑输电线路的电容时, 电力系统的谐波阻抗Zsn可由下式近似表示:

式中:Rsn为系统的n次谐波电阻

Xsn为n次谐波电抗, Xsn=nXs

Xs为工频短路电抗

设并联电容器基波电抗为Xc, n次谐波电抗为Xcn, 则

并联了电容器后, 系统的谐波等效电路如图1所示。系统的n次谐波阻抗变为ZSN'。

由上式可见, 装设电容器后, 系统谐波阻抗发生变化, 既可为感性也可为容性, 并且对特定频率的谐波, 并联电容器与系统发生并联谐振, 使等效谐波阻抗达到最大值。

电力系统中主要谐波源为电流源, 其主要特征是外阻抗变化时电流不变。图2a为电力系统的简化电路图, 图2b为其谐波等效电路。

在此情况下, 有:

式中n为谐波次数;In&为谐波源的第n次谐波电流;Isn&为进入电网的谐波电流;Icn&为进入电容器的谐波电流。

由式 (4) 可看到, 当Isn&=Icn&时, 并联电容器与系统阻抗发生并联谐振, Isn、Icn均远大于In, 谐波电流被放大。因Xsn=nXs, 而

故谐振点谐波次数为:

即当谐波源中含有次数为Xc/Xs的谐波时, 将引起谐振。若谐波源中含有次数接近的谐波, 虽不谐振, 但也会导致该次谐波被放大。

2 谐波抑制的方法

谐波问题的解决方法可分为预防性和补救性两种。预防性的解决方法是指避免谐波及其后果出现的措施, 而补救性的解决方法则是指克服既存谐波问题所采用的技术。

研究有效的谐波治理措施, 是确保谐波标准得以全面有效执行的技术基础, 各国都在致力于这方面的研究, 积极探索各种抑制谐波的技术和手段。其中包括。

(1) 限制谐波源谐波电流的注入量。

(2) 提高各种供用电设备的抗谐波能力。

3 串联电抗器的谐波滤波器

通常给并联电容器串接一定电抗器, 改变并联电容器与系统阻抗的谐振点, 以避免谐振。

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧, 由L、R、C元件构成谐振回路, 与谐波源并联, 除起滤波作用外, 还兼顾无功补偿的需要。这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处, 当谐振回路的谐振频率与某一谐波频率相同或相近时, 使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小, 即可阻止该频率的谐波进入电网, 达到对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于对五、七、十一次谐波治理中, 而且往往同时采用两组以上滤波器, 谐振在五、七次, 同时起补偿电容器组的作用。目前, 在电力行业中, 它多用于35kV和110kV变电站的10kV母线上, 两组滤波器中的电容器容量大于变电站无功补偿容量, 串联电感后, 谐振在五、七次谐波频率中, 使无源滤波器一物二用, 具体计算公式如下。

当无源滤波器中, L、C串联谐振在n次谐波频率时,

在同一条母线上有非线性负荷形成的谐波电流源时 (略去电阻) , 并联电容器装置的简化模型如图3 (a) 、3 (b) 所示。

式中n为谐波次数;In&为谐波源的第n次谐波电流;Xs为系统等值基波短路电抗;Xc为电容器组基波容抗;XL为串联电抗器基波电抗。由于谐波源为电流源, 谐波电压放大率与谐波电流放大率相等, 故由式 (5) 整理推导可得谐波电压放大率

式中S=XS/XC=QCN/Sd

Sd为电容器装置接入处母线的短路容量

Qcn为电容器装置容量

当式 (3-6) 谐波阻抗的分子的数值等于零时, 即从谐波源看入的阻抗为零, 表示电容器装置与电网在第n次谐波发生串联谐振, 可得电容支路的串联谐振点

当式 (3-6) 谐波阻抗的分母的数值等于零时, 即从谐波源看入的阻抗为∞, 表示电容器装置与电网在第n次谐波发生并联谐振, 并可推导出电容器装置的谐振容量Qcx[6]为:

4 谐波的隔离

非线性用电设备产生的谐波, 它不仅直接影响到本级电网, 而且经过变压器后, 还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网, 这也是谐波治理的一个基本方法。为了减少低压对10kV电网的影响, 在10kV配电系统中推广使用D, yn11接线组别的配电变压器, 能有效的减少三、九次谐波的影响。

5 实际应用中的谐波处理

非线性高次谐波的产生主要是由于整流装置的触发角不同及器件特性有差异引起, 治理整流装置消除其差异取得的效果对滤波装置的设置有影响, 若基本能消除2、3、4次及以上偶次谐波则滤波装置只需滤除5次及以上的奇次谐波。若2、3、4次及以上偶次谐波仍超过国家标准, 则滤波装置需滤除二次及以上高次谐波, 高次谐波次数越低对相应的滤波设备要求也愈高, 显然这种情况我们不希望出现, 因为它将使滤波装置复杂, 投资高、损耗大, 运行费用也提高。

谐波处理的方法虽然很多, 但将无功功率与谐波处理结合起来应用在实际中却很少。大多数情况下, 只是单独考虑滤波处理或单独进行无功补偿, 这样势必造成尽管功率因数达到了国家规范的要求, 但谐波的存在造成用电设备的大量损坏, 或者只进行单一的谐波处理, 却忽略了功率因数的指标。

总而言之, 谐波对电网络的影响比较严重, 要抑制并联电容器的谐波, 防范其影响到电力网络的其他设备, 是一个比较复杂的难题。在实际应用中, 将补偿无功功率的并联电抗器, 每一组中串入一组电抗器, 同时根据式 (8) , 选择合适的电抗系数K, 将无功补偿与谐波处理结合起来, 此举不但能够达到国家规定的运行标准, 同时在投资方面可以大大节省投资与运行和维修费用, 是一种经济、实用的无功补偿与谐波抑制方法。

摘要：文章介绍了并联电容器与谐波的相互影响的原理, 谐波的抑制方法, 以及谐波的隔离和实际应用中的处理, 重点介绍了并联电容器对谐波的放大, 串联电抗器谐波滤波器的原理以及无功补偿与谐波处理相结合的方法。

关键词：无功补偿,电容器,谐波抑制,谐波滤波器,谐波放大