(整理)电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨.

电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨

一、电力网络的谐波分析

1、电网谐波简化等效电路及其基本特性

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

式中：Rsn---------系统n次谐波电阻；

Xsn---------n次谐波电抗，Xsn=nXs

Xs----------工频短路电抗；

其次设定并联电抗的基波容抗为Xc，n次谐波容抗为Xcn，则

由此可知，并联电容后，系统的谐波等效电路如下所示：

系统的n次谐波阻抗变为了Zsn’由下式表示：

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。其简化电路和谐波等效电路如此下图：

由图（b），根据谐波电流在系统支路和电容器支路中的分配与各支路的阻抗成反比，可得到回路的基本特性方程：

式（1）、式（2）表达了以相对单位值表示的系统支路与电容器支路谐波电流与回路各参数之间的关系。经过坐标变换可知，式（1）、式（2）均为等边双曲线方程。

2、谐波电流谐振特性曲线的物理意义

对图2的曲线所画定的区域做一个概括介绍：

⑴、抑制谐波的滤波补偿区

图2中以ξ=0垂线划界，其右侧ξ为正值，即，所以，电容器支路对该次谐波成感性。此时，两支路电流均为正值，即其方向都与谐波源电流流出方向一致，见图1(b)。线路参数决定的ξ值落在该区域时，系统和电容器两支路谐波电流都不会被放大，其和等于谐波源电流Ia。所以，该区域是抑制谐波的滤波补偿区。

⑵、自然补偿区

图2中以ξ=0垂线左侧区域ξ为负值，即，此时，电容器支路对该次谐波均成容性，系统和电容器两支路谐波电流都受到不同程度的放大。但是，在ξ＜-2的区域，系统谐波电流只受到轻度放大，电容器支路仅流入部分谐波电流。这一区域对应于电网没有显著的谐波负荷时的无功补偿状态，即电容器支路不串电抗或仅串电抗率很低的电抗仍能进行正常的无功补偿，故该区域可称为自然补偿区。

⑶、谐波电流的谐振区

在的区域，电容器支路和系统支路谐波电流都会被严重放大甚至发生谐振，特别是ξ＝－1是并联谐振的中心点。此处，谐波电流被极度放大，其数值取决于回路的Q值，可达到原值的几十至几百倍。显然，电容器无功补偿和滤波都必须调整回路参数，避开这一区域。

⑷、全滤波补偿区

ξ=0处电容器支路，即对该次谐波呈串联谐振状态。此时由于对该次谐波阻抗为0，该次谐波全部流入该电容支路。于是该点就是滤除该次谐波最佳位置，实际的滤波支路工作点就在该点附近。

此外，ξ＝ 1时，两组曲线有唯一的交点（1,1/2）,此时系统支路与电容器支路各负担谐波电流的一半。

3、针对谐波电流谐振特性曲线的各区域的特性展开详细讨论

⑴、自然补偿区的分析

如上所述自然补偿区指图2左端ξ＜-2的区域，通常ξ值为较大的负数，电容器支路虽是容性，但只会引起谐波电流的轻度放大。故系统和电容器支路都不存在显著的谐波问题，一般只有变压器和电机等设备在运行中可能会产生的3次和5次谐波以及一些小容量的非线性负荷。因此，电容器支路可以不采取抑制谐波和滤波的措施，即电容器支路可以不采取抑制谐波或滤波措施，即电容器支路不串电抗（如大多数低压侧补偿柜）或仅串0.1～1%的限流电抗（如某些高压补偿柜）。

由式3 ，在该区域X L/X L=0～0.01；通常，如

，则ξ＜（-11～-4）。

可以看出，如果无功补偿容量相对较小，例如的场合，补偿不会带来显著谐波问题。

但是如果电网内遇到较高次谐波或补偿电容器串有较大的电抗率，造成ξ的绝对值减小时，谐波放大问题就会变得严重。在ξ＝ 2时注入电网的谐波电流就能达到2In。

应当看到, 根据ξ的表达式在此区域内电容器支路增设电抗（如采用1%的电抗）仅能限制涌流，并不能抑制谐波，反而是随着电抗率的提高, 对谐波的放大作用会增强。除非电抗率或谐波次数的增加足以使ξ值跨越谐振区[－2＜ξ＜－1/2 ]而进入感性区（ξ变为正值），谐振才能受到抑制。

此外，数值对谐波放大起着关键性作用。此值减小时若的绝对值变小，谐波放大问题会变得严重，甚至进人并联谐振区。例如小容量的配电变压器二次侧投人较大的无功补偿容量，不仅有可能发生过补偿，造成无功倒送，而且会使ξ值接近－1，而进人谐振区。在处理无功补偿问题时，这是必须注意的。

⑵、滤波补偿区的分析

图中ξ＞0的区域，其特点是系统中存在显著的谐波源而电容器支路串联有足够大的电抗，使得因而呈感性。此时电容器支路作为无功补偿设备兼有部分滤波功能，故称之为滤波补偿区。

由式3可知，在为零或很小的情况下，ξ对于各次谐波都是负值，都难免遇到谐波放大或谐振问题使得无功补偿无法进行（常见的现象是电容器支路谐波电流过载、电容器早期损坏、熔断器动作、控制器失灵等）。在电容器支路中串联了足够大的电抗使得ξ再变为正值，则电容器支路对谐波呈感性。系统谐波电流就不再被放大。电容器支路流进了部分谐波电流，分流了注人系统的部分谐波电流。即此时电容器支路不仅能对基波进行有效的无功补偿，而且还能滤去部分谐波电流。

由可知，为使3次及以上谐波在电容器支路呈感性, 所串电抗率必

须满足条件：

, 即大于11.1%，

同理，为使5次、7次、11次及以上谐波在电容器支路呈感性的条件分别为：

，即大于4%；，即大于2.04%；，即大于0.826%；

通常在系统谐波不超标的情况下只要求电容器能顺利进行无功补偿就行了，并不要求电容器支路能滤掉全部谐波。

为此电容器支路电抗率针对3次、5次、7次、11次谐波分别选取比串联谐振值11.1%、4%、2.04%、0.83%和稍大一些的数值，即取13%、6%、4% 和1%，可以看出这里对3次、5次、7次、11次谐波选取的电抗率都比申联谐振值大2%左右。

如果（通常在20～200之间）则在这几种情况下，ξ值都正好接近2，

也就是电容器支路承担的相应次谐波电流都是，即都滤掉。

当然如果更大一些，则ξ值也更大一些，滤除的要少一些，反之对较小的电源系统则滤除的会多一些。在其他条件不变的情况下，电抗率增加，若ξ值上升，电容器支路滤除的谐波电流就减少。同样，谐波次数增高，滤波部分也减少。

例如串6%的电抗，设，则会滤掉5次谐波电流的约33%，7次谐波电流的