吉斌，陳 淮，賈源森，龍文建，唐劍，王 婧（中國中材國際（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)，對電網(wǎng)造成污染，對供電設(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)計時，需要對諧波電流進行治理，使注入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標準。目前諧波電流治理技術(shù)主要有無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)兩種，本文僅對無源濾波技術(shù)方案進行介紹，該方案是利用電容器無功補償裝置配置合理的電抗器實現(xiàn)無源濾波功能。通過對供配電系統(tǒng)、無功補償裝置各設(shè)備參數(shù)進行優(yōu)化配合，在保證無功補償裝置正常運行的前提下，使無源濾波設(shè)備能最大程度地濾除諧波電流。

1 無功補償

工業(yè)生產(chǎn)中使用的電動機需要無功電流。如果從電網(wǎng)向電動機提供無功電流，電網(wǎng)的功率因數(shù)會降低，供電設(shè)備利用率也會降低。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功補償裝置為電動機提供無功電流。電容器無功補償裝置作為一種重要的無功補償技術(shù)手段，已成為供配電系統(tǒng)設(shè)計常用技術(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功補償裝置

無功補償容量由（1）式計算：

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

根據(jù)式（1）計算的無功補償容量來選擇電容器的容量，選擇電容器容量要根據(jù)補償回路中電抗器、電容器額定電壓和工作電壓等因素進行修正，以滿足補償?shù)膶嶋H需求。補償裝置所配置的電容器額定容量（Qe）要大于實際補償容量（Qc）。

2 無源濾波器

2.1 無源濾波器電路構(gòu)成

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

2.2 無源濾波器工作原理

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。由于流過電抗器與電容器的電流相位相反，式（2）中對于某次頻率諧波的總電抗可能為零，構(gòu)成諧振特性。無源濾波就是利用LC電路阻抗對某次諧波最小，流過該電路的某次諧波電流就最大特性實現(xiàn)濾除諧波電流。無源濾波裝置方案如圖2所示。

圖2 無源濾波裝置方案

變頻器是諧波電流源，它產(chǎn)生的諧波電流有兩個流向，一個是電網(wǎng)，另一個是電容器回路。每個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)計中，各次諧波電流大小計算比較困難，一些諧波治理的測試報告和變頻器相關(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）計算諧波電流也基本在30%左右。但計算的各次諧波電流量大小與實際測量是有偏差的。

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）計算出電抗率（k）4%和4.5%的LC回路Zc見表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，LC電路對5次諧波阻抗為0Ω，LC電路對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5次諧波是一個諧振點，會放大5次諧波電流，容易使電容器在過電流狀態(tài)下運行，電容器容易損壞。所以電抗率的配置應避開各次諧波的諧振點。

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

由表4可見，改變變壓器的阻抗電壓，ZT會發(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)回路諧波電流計算

供配電系統(tǒng)圖2的等效電路見圖3。根據(jù)式（6）和（7）計算出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%時流入LC回路的諧波電流 A

通過表5和表6中的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)電抗率4.5%時濾除電流達111.8 A，電抗率7%時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%時流入LC回路的諧波電流 A

4 結(jié)語

在諧波治理的方案中，由于無源濾波投資低，通過配電系統(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，從而實現(xiàn)更優(yōu)的諧波治理效果。