谐波情况下的无功补偿设计

引言

随着变频器、电力节电器等非线性负荷的推广使用，电力网的谐波含量越来越大。电网谐波对电力无功补偿设备有着极大的影响，在谐波严重的局部电网，无电抗的电容器无功补偿设备几乎无法工作。许多企业采用电容器串接电抗器的无功补偿方式来回避谐波，但是由于不清楚电抗值的计算方法，不仅达不到理想补偿效果，反而造成了谐波放大。一些企业选用了无源滤波器，但由于没有对电网参数精确测算，投入运行后不能正常运行。针对低压系统无功补偿的谐波治理问题，本文对补偿电容器串接电抗器的设计计算进行了详细的说明，还对无源滤波器在设计中的模糊概念进行了澄清，提出了用串接电抗器解决电网谐波下无法使用无源滤波器的问题，并给出了实用的计算方法。

1 谐波的主要构成成分

谐波产生的原因是多种多样的，但电网谐波的主要构成并不复杂。电网谐波是指基波的整数倍的高次波，即2、3、4、5……次谐波。各次谐波中，偶次谐波是由于信号正负半周的不对称所形成的，而电网中电流正负半周的不对称的情况不常见，因此偶次谐波的含量很小。在三相系统中，3、6、9……等3 的整数次谐波的相位相同，在三相三线的系统中不能流通，在三相补偿电容器中也不能流通。只要不是分相补偿就不需要考虑3 的整数次谐波的影响。

在多数情况下，谐波是由非线性负荷产生的，主要是整流滤波，它在电网中产生PN依1 次谐波，P是一周内整流形成的直流波头数，N 是自然数，三相整流最低谐波次数是5 次。

在中频炉、变频器等逆变类负荷中，逆变频率与电网频率无关，会产生频率并不是基波的整数倍谐波，有人称其为分数次谐波。但这些谐波被整流滤波电路隔离不会直接反馈到电网中去。

在电弧炉、电解铝、氯碱厂等大型冲击性不对称负荷中，虽然谐波的成分非常复杂且含量很大，但由于其工作的间断性产生的谐波多为间谐波，特点是持续时间短，频谱杂乱，叠加后形成白噪声。这类谐波可以通过在谐波负载前加装低通滤波器进行治理。

电力机车是人们公认的谐波源，但电力机车主要形成的是陷波和不平衡负载，通过Y/吟接线的变压器后3 的倍数次谐波被隔离，注入电网的谐波成分与逆变类负荷一样，所以电网谐波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次谐波。

2 谐波对无功补偿的影响

当谐波源位于进行补偿的局部电网中时称为内网谐波。对于内网谐波，补偿电容与系统阻抗（包括主变压器漏电抗和电网阻抗）之间是并联关系，如果并联谐振频率刚好与谐波源频率相等就会发生并联谐振，出现谐波电流放大现象，此时即使电容器补偿容量大于谐波源容量，电容器也可能过负荷。内网谐波源容量通常小于局部网主变压器容量，应该使用并联滤波器将其吸收。

当谐波是由上一级电网经主变压器窜入本级电网时称为外网谐波。对于外网谐波，补偿电容与系统阻抗之间是串联关系，如果串联谐振频率刚好与系统中谐波源频率相等就会发生串联谐振，出现谐波电压放大现象，可能造成补偿电容器过负荷。由于系统谐波源往往容量较大，此时使用并联滤波器将其吸收通常是不可能的，所以只能采取串接电抗器滤波的方式阻止过量的谐波进入电容器。因此，只有区分内网谐波与外网谐波，才能采用正确的补偿滤波方式，这是十分重要的。