無功補償中的諧波問題及實例分析

1 引言

在公用電網和企業電網中，無功電流是不希望出現的。它會加重發電機、輸電線路和變壓器的負荷，產生損耗，影響輸配電系統的經濟性。隨著HVDC技術、FACTS技術應用的不斷拓展，典型的無功負載除了傳統的異步電動機、變壓器、放電燈、裸導線以外，還包括調節運行的變流器產生的換向無功功率、控制無功功率和畸變無功功率等。在最佳補償情況下，電網只輸送有功功率，使電網的輸電能力得到提高。為了保證電網的輸電經濟性，我國《全國供用電準則》規定了各級各類電力用戶應達到的功率因數值。因為同步電機的使用場合有限，提高功率因數通常采用并聯電容器方式。

諧波含量逐漸遞增是一共同的明顯趨勢，這與用電負荷中大量使用非線性負載和設備有著直接的關系。非線性設備主要是晶閘管或二極管整流器等，這些電力電子裝置將導致電網中的的電力品質下降。比如變速驅動裝置(VSD)、不間斷電源(UPS)、變頻器等。

2 諧波危害

對變壓器而言，諧波電流危害主要體現在以下幾方面：①諧波電流導致銅損和雜散損增加，諧波電壓則會增加鐵損;②諧波導致變壓器的溫升提高;③導致變壓器噪聲增加。這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升，進而導致變壓器的基波負載容量下降。為非線性負載選擇變壓器額定容量時，應考慮足夠的降載因子，以確保變壓器溫升在允許的范圍內。

在線路中，與俱有相同均方根值的純正弦波電流相比，非正弦波將產生更多的熱量和溫升。這兩種現象取決于頻率及導體的尺寸和間隔。這兩種效應相當于增大導體交流電阻，進而導致損耗增加。

諧波電流和電壓對感應電動機及同步電動機的主要損害在于：諧波頻率下鐵損和銅損的增加，引起額外溫升。這些額外損失將導致電動機效率降低，并影響轉矩。當設備負荷對電動機轉矩的變動較敏感時，其扭動轉矩的輸出將影響產品的質量。

對于旋轉電機設備，與正弦磁化相比，諧波會增加噪音量。如五次和七次這種諧波源，在發電機或電動機負載系統上，可產生六次諧波頻率的機械振動。如果機械諧振頻率與電氣勵磁頻率重合，將發生共振并產生很大的機械應力，導致機械故障。

電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感。

電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點?？刂葡到y對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控制系統失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設備的干擾。計算機和一些其它電子設備，如可編程邏輯控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，甚至低于3%。

3 電容器補償中的諧波問題

電容器與其它設備相比較有很大區別，其容性特點在系統共振情況下可顯著的改變系統阻抗。電容器組容抗隨頻率升高而降低，起到吸收高次諧波電流的作用。頻繁地切換非線性電磁組件會產生諧波電流，增加電容器的負擔。由諧波引起的發熱和電壓升高意味著電容器使用壽命的縮短。

無功補償中大量投入電容器組時，必需考慮的因素是系統產生諧振的可能性。系統諧振將導致諧波電壓和電流會明顯地高于在無諧振情況下出現的諧波電壓和電流。

3.1諧波與并聯諧振

圖1為典型的并聯諧振電路。諧波電流經電容器組電容和電網電感形成的并聯諧振回路，可被放大到10～15倍。被放大之諧波電流流經電容器可導致其內部組件過熱。須注意的是，在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。

3.2諧波與串聯諧振

在上一級電網系統電壓發生波形畸變的情況下，由電容器組電容和供電變壓器電感形成的串聯諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器，串聯諧振可導致在變壓器的低壓側出現高的波形畸變。圖2為典型串聯諧振回路。

4 無功補償中的諧波處理

若有非線性負載連接到母線上，而又需要在母線上連接電容器組作無功功率補償系統時，一定要避免在系統中產生并聯或串聯諧振。然而，只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上，就會出現一特定的并聯和串聯諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合，諧波電流和諧波電壓就會被明顯放大。這時，可采用濾波或調諧式電容器組。

典型的濾波電容器組設置五次、七次、十一次諧波等3個濾波分支路。濾波分支路的數量取決于要吸收的諧波量和要補償的無功量。在某些情況下，甚至一個濾波分支路就可滿足電壓畸變限制和目標功率因數。根據IEEE519-1992標準，單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。

在沒有諧波量限制的地方，可以使用調諧式電容器組。但此時，諧波的主要成份都注入到上級電網。所需組數取決于負載功率因數和目標功率因數。設計調諧式電容器組時，通常須給出電壓畸變限制值。設計中，還要考慮電抗器鐵芯的線性度，使其涌流時以及在額定電壓畸變情況下不會出現飽和狀態。如果不知道負載狀況，通常采用額定電壓高于系統電壓的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來負載會產生諧波時，僅須增設電抗器而不須更換電容器組。

當電容器組周圍溫度可能會超出其允許的最高溫度上限值時，在電容器配電盤內加設冷卻風扇。在采用調諧式或濾波電抗器的地方，則使用強迫冷卻方式。與電容器組相比，電抗器會產生更大的熱量。

5 無功諧波補償舉例

在某大型寫字樓內，許多連接在不斷電電源設備(UPS)變壓器自動功率因數控制電容器組因過熱而損壞。結構如圖3所示。

表1中是測得的供電變壓器基波和諧波電流以及電壓的總諧波畸變率(THD)。從表1可知，當兩段50kvar投入后出現嚴重的并聯諧振，將30A的十一次諧波電流放大到183A，同時電壓的THD值也增加到19.6%。

表2為電容器組電流的測量結果。當2段50kvar電容器組投入，電容器上電流的有效值(RMS)是364A，相當于2.5倍的額定電流流經電容器，而電容器的容許電流是額定電流的1.3倍。

因為從諧波測量結果中可確認在供電系統中存有諧振現象，因此重新設計了無功補償系統，并決定使用帶7%電抗器的調諧式電容器組。

表3為投入帶7%電抗的新電容器組后，供電系統電流和電壓THD的測量結果。裝上調諧電容器組后，無論投入幾段皆可避免諧振，而且也不會放大任何諧波電流。

6 結論

在配電系統無功補償中，若使用不串接電抗器的電容器組，導致諧振問題，則在裝有電容器組母線上將產生高電壓畸變，并對用戶設備形成損害。因此進行補償系統設計時，必須隨之而來的諧波問題，并將畸變限制在允許的范圍內。