王鋒，強順義

(陜西凌云電器集團(tuán)有限公司機(jī)動能源處，陜西寶雞721006)

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。非線性功率用電設(shè)備產(chǎn)生諧波電流，甚至使用隔離變壓器和整流電抗都不能改變。一方面諧波電流導(dǎo)致電壓諧波;另一方面，這些諧波電流本身就是網(wǎng)絡(luò)上附加的負(fù)荷并且能顯著導(dǎo)致電容器組的過載。在這種情況下發(fā)生諧振且諧波電流振蕩放大并導(dǎo)致一個更高的負(fù)荷較危險。本文通過單調(diào)諧無功補償裝置與諧波濾波裝置相結(jié)合的方案來探討解決強諧波的問題［1－2］。

1 問題的提出

蓄電池新廠區(qū)變電站的變壓器主要負(fù)責(zé)給蓄電池所有化成電源供電，其變壓器容量為1 600 kW，所帶化成電源的裝機(jī)容量達(dá)2 500 kW以上，電容補償柜的容量為1 080 kW。如此集中的高負(fù)荷、高比例補償量較為罕見［3］。

化成電源是一種高諧波、低功率因數(shù)的設(shè)備，在工作時將產(chǎn)生5次、7次和11次等高次諧波，由于電容的阻抗與頻率成反比，諧波次數(shù)越高、含量越大，對補償電力電容器等容性設(shè)備的損傷越大，特別是諧波放大后將會對其他電器的絕緣強度有很大的破環(huán)性，使電器的漏電流增加直至絕緣被擊穿，引發(fā)事故。另外電容器和網(wǎng)絡(luò)形成并聯(lián)共振回路，使諧波電流放大、使系統(tǒng)電流和電壓畸變更加嚴(yán)重。這樣就會導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降、溫升變高，加速變壓器的損耗、老化［4］。

無功功率補償如果采用傳統(tǒng)的補償方式不僅電容器維護(hù)費用高，而且嚴(yán)重縮短變壓器、線路及電氣元件壽命，造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)損耗增加，變壓器帶負(fù)荷能力下降，電網(wǎng)投資增大。如果取消無功補償則變壓器及整個系統(tǒng)將無法安全運行。所以既要考慮無功補償提高功率因素，同時也要采取措施抑制諧波。

2 問題分析

蓄電池化成電源在工作時產(chǎn)生的諧波用Fluke儀表測試發(fā)現(xiàn):諧波含量達(dá)到基波總量20%的波約占10%。針對蓄電池化成電源諧波含量及成份的特點，提出了兩套方案。

2.1 單調(diào)諧無功補償裝置

根據(jù)蓄電池化成電源5次諧波占總諧波80%的特點，采用6%串抗的單調(diào)諧無功補償裝置予以解決。它既能限制諧波電流，又能抑制合閘涌流，對5次及以上高次諧波的抑制，效果理想，基本可消除掉諧波諧振的發(fā)生。

所謂單調(diào)諧無功補償裝置，即每段由電容器及調(diào)諧電抗器串聯(lián)組成。調(diào)諧頻點為204 Hz。無功補償電容器組無論分幾段投切，調(diào)諧頻點只有1個。

電容器容量選擇依據(jù)在基波頻率時，系統(tǒng)所需補償?shù)臒o功功率而確定，調(diào)諧電抗器的電感值則是容抗XC的6%。電抗器和電容器串聯(lián)的諧振頻率低于電網(wǎng)的最低次諧波頻率，這樣可使電網(wǎng)避免產(chǎn)生諧振。對于高于此串聯(lián)自諧振頻率的頻率而言，該回路呈感性，這意味著它不可能激活任何諧振，避免了諧振放大問題，也抑制了投切電容的涌流。而在低于諧振頻率時，諧振電路呈容性，具有諧波濾除和無功補償兩大功能，在提高功率因數(shù)的同時有效地保護(hù)了補償電力電容器。

2.2 諧波濾波裝置

諧波濾波裝置是針對蓄電池化成電源產(chǎn)生的特征諧波電壓、電流的大小而做制的濾波設(shè)備，其等效原理圖如圖1所示。

圖1 針對特定次數(shù)的諧波濾波電路

它由電容器、串聯(lián)電抗器組成，實際諧波吸收率達(dá)70%以上。依據(jù)具體諧波的頻率特性，根據(jù)電容、電抗、電阻固有的阻抗特性，對某一特定諧振頻率相近或相等的諧波呈低阻抗，為負(fù)載諧波電流提供較低的阻抗通道，與電網(wǎng)阻抗形成分流關(guān)系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器，而不進(jìn)入電網(wǎng);高通濾波器則對截止頻率以上的諧波均呈現(xiàn)低阻抗。

如圖1所示，針對系統(tǒng)中的諧波次數(shù)，設(shè)計了相應(yīng)的濾波支路?？刂破魍ㄟ^CT檢測電流信號，直接從電源取電壓信號，經(jīng)快速傅里葉分析，剝離出諧波分量，根據(jù)諧波次數(shù)和含量，自動投入相應(yīng)的濾波支路，濾除相應(yīng)次數(shù)的諧波，使諧波含量始終保持在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。而且，在諧振點以下，支路呈容性，因此還具有對基波無功補償，提高電網(wǎng)功率因素的作用。

濾波裝置的各項參數(shù)公式如下，調(diào)諧頻率調(diào)諧次數(shù)

其中，q為設(shè)計濾波器的重要參數(shù)，典型值q=30～60。

高通濾波器的復(fù)數(shù)阻抗

截止頻率

結(jié)構(gòu)參數(shù)一般取m=0.5～2;q=0.7～1.4。

該諧波濾波裝置的調(diào)諧頻點根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計，其中5次調(diào)諧頻點為250 Hz;7次調(diào)諧頻點為350 Hz;11次調(diào)諧頻點為550 Hz。

3 問題解決技術(shù)

當(dāng)系統(tǒng)諧波含量低時，采用單調(diào)諧無功補償裝置可以達(dá)到有效保護(hù)電容器的目的。但由于電網(wǎng)諧波含量高，單獨采用單調(diào)諧無功補償裝置，無法消除電網(wǎng)中含有的大量諧波，其他電器元件業(yè)無法可靠運行;相反，如果單獨使用諧波濾波裝置，由于濾波支路表現(xiàn)出電容特性，所以在電壓作用下，會產(chǎn)生超前的無功電流，這樣就存在一個問題，在使用無源電力濾波器同時還會進(jìn)行無功補償，如果系統(tǒng)原有的無功含量不大，那么就會出現(xiàn)無功功率過補，功率因數(shù)可能因此下降，而且會提升電網(wǎng)電壓，這對一些設(shè)備也是不安全的。所以采用單調(diào)諧無功補償裝置與諧波濾波裝置結(jié)合的方案。

在無功補償過程中，使補償電容器容量按8∶4∶2∶1分配，當(dāng)有功功率不足變壓器容量的30%時，采用小容量單調(diào)諧無功補償裝置投切;當(dāng)有功功率超過變壓器容量的30%時，采用諧波濾波裝置投切為主，單調(diào)諧無功補償裝置投切為輔的方式。

在由濾波電抗器和電容器組成的串聯(lián)電路中，在電抗器上存在著一個電壓降，它導(dǎo)致加到電容器上的電壓升高。電抗系數(shù)越高，電壓增加越大。電壓的增加Uc=Un/(1－P)。其中，Uc為電容器實際電壓;Un為系統(tǒng)電壓;P為電抗系數(shù)P(%)=XL/Xc。

在串聯(lián)電抗器的補償系統(tǒng)中，目標(biāo)補償容量和電容器的標(biāo)稱容量之間有Qc=(Uc/Un)2×Qn×(1－P)。其中，Qc為實際配置的電容器標(biāo)稱容量，Uc為標(biāo)稱電壓;Un為系統(tǒng)電壓;Qn為目標(biāo)補償容量;P為電抗系數(shù)。

此外，由于諧波的存在可能導(dǎo)致安裝在電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生過載，并且用作功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)的電容器回路開關(guān)閉合時可能產(chǎn)生超過電容器允許值的峰值浪涌電流，所以不僅要采取相應(yīng)的過壓、過流、過溫等保護(hù)措施，還將功率補償中投切器件由傳統(tǒng)的交流接觸器改為晶閘管功率模塊(TCD)。TCD可快速響應(yīng)負(fù)荷變化，實現(xiàn)平滑投切，投入無涌流、切離時無暫態(tài)電流，分合操作速率達(dá)到20 ms，從而保證了各類化成電源的高速實時補償。

4 效果評價

該方案在蓄電池遷建改造項目變電站工程中順利實施，使用近一年來效果顯著，如圖2和圖3所示，有效地顯示了該項目的成果。圖2所示是電容補償無投入電網(wǎng)前的各項參數(shù)。

圖2 改造前實測示波器數(shù)據(jù)

圖3所示是電容補償投入電網(wǎng)后的各項參數(shù)。

在沒有投入無功功率補償前，功率因數(shù)為0.63，投入無功功率補償后，功率因數(shù)為0.98，從表1可明確看到各項參數(shù)的差別。

圖3 電容補償投入電網(wǎng)后的各項參數(shù)

表1 各項參數(shù)的差別

在有功功率變化不大的情況下，投入無功功率補償后變壓器電流由2 043 A降低到1 115 A，電壓由395.9 V升高到411.4 V，視在功率由1 330 kW降低到767 kW，提高了變壓器的帶負(fù)載能力，電容器工作可靠，平均吸收諧波60%以上。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

假設(shè)采用普通電容器補償方式，功率因數(shù)可能達(dá)到0.9以上，但是設(shè)備無故障運行時間最多只能維持約4個月，并且諧波被放大后，電網(wǎng)內(nèi)電器元件故障率猛增，設(shè)施維護(hù)費用增大，每年用于電容器更換的費用達(dá)到6萬元以上，同時維修期間功率因數(shù)下降，每年累計要交的力率罰款將達(dá)到9千元以上，而且本系統(tǒng)自運行以來已累計獎勵力率電費2萬余元。這不包括諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)后造成的線路、電器異常發(fā)熱等引起的安全隱患、事故損失。所以，采用化成電源無功功率補償裝置不僅降低了變壓器的損耗、提高了功率因數(shù)，而且有效地保護(hù)了電容器，達(dá)到了安全可靠運行的目標(biāo)。

［1］ 呂曉潔，劉園，沈建冬．基于DSP的動態(tài)無功補償裝置的研制［J］．電子科技，2008(1):18－21．

［2］ 王易平．基于GTO的靜止無功補償裝置研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(11):168－171．

［3］ 賀為婷．無功補償容量的優(yōu)化分析［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(10):108－109．

［4］ 候志敏．基于80C196KC單片機(jī)的電力補償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(22):75－77．