安科瑞 蔣超萍

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰

摘要：針對某工業場合在諧波污染較嚴重和電容補償裝置已投入運行的工況下，文中通過對實際測量數據進行分析，驗證電容柜和諧波之間的相互影響，說明現有方案的危害性，并提出了一種串聯電抗形式的無功補償和有源濾波混合使用的補償方案，在討論現有治理裝置的基礎上，對該混合補償裝置進行了實際工程應用，數據顯示效果明顯，從而為該工業場合電力系統保駕護航，取得了客戶的*認可，并為其他類似案例帶來較高的工程應用價值。

關鍵字：諧波危害；諧波治理；無功補償；有源濾波；諧波放大

0、引言

由于電力電子技術的飛速發展，非線性設備大量應用，給電網帶來嚴重的電能質量問題，大多數場合對電能質量要求越來越高，傳統無功補償和諧波治理措施已難以滿足當前工況需求， 特別現場后期電力系統增容改造或停運維修，導致系統阻抗發生改變，影響補償效果，甚至引發串并聯諧振，為了彌補缺陷，更好得解決當前工況遇到的電能質量問題，本文提出一種“晶閘管控制的串抗無功補償和有源濾波混合補償”方案，并驗證其實際應用效果。

1、諧波的危害

大量諧波在電網中流動加速線路和變壓器等設備損耗，降低使用效率和壽命，降低供電系統的可靠性，增加電力運行成本；諧波易流入電容柜，引發串并聯諧振，放大諧波，加速電容老化，不能正常使用，甚至出現鼓肚、漏油等等現象，誘發供電事故的發生；高次諧波易引起各類繼電保護和自動裝置的誤動作，使計量裝置和測量儀表產生誤差，導致計量混亂；由于諧波的干擾，降低信號傳輸質量，從而影響通訊系統的正常工作。總之，諧波將對整個電網存在帶來隱患。

2、常用無功及諧波治理措施

諧波治理和無功功率補償的方式有很多，常見無功補償以并聯電容器組為主，諧波治理主要分為有源和無源兩大類。

傳統的并聯電容器因其結構簡單、成本低廉在公用電網和工業系統中得到廣泛的應用，隨著電力電子技術的迅猛發展，出現了一些*的無功補償裝置，比如SVG，盡管如此，并聯無功電容器無功補償裝置低成本優勢使得其仍然是實際電網中用來提高功率因數的主流裝置。

在諧波治理方面，無源濾波裝置是采用電抗、電容的調諧原理，在諧波頻次下形成低阻抗通道，吸收諧波。但是其濾波特性很容易受到系統參數的影響，極易與系統或者其他濾波支路發生串并聯諧振；只能消除特定的幾次諧波，甚至對其他頻次諧波有放大隱患；濾波、無功補償、調壓等要求之間有時難以協調；諧波電流增大時，無保護作用，會造成濾波本身過載，甚至損壞設備等，在很多場合使用受到阻礙。

而有源濾波器的出現扭轉了局面，與無源濾波技術相比，可實現主動式動態補償，有極快的響應速度，不受電網阻抗影響，不存在與電網阻抗發生諧振的隱患；補償頻次范圍廣，可兼補無功，實現無功的無極可調，不會出現過補與欠補現象；具有完善的過載保護功能，無需與系統斷開，限幅輸出；補償容量大、體積小，安裝、維護、擴容等作業方便，使用范圍廣。

3、應用案例簡析

本次以某工業場合為例，該場合配電系統中分別由兩臺變壓器T1、T2分列運行，所帶負載分別為三套不同馬力VSD測量平臺，基本供電拓撲類似，在每個VSD測量平臺均是并聯電容柜就地無功補償，據現場反饋，由于VSD產生的較大諧波引起無功補償裝置損壞，功率因數低，嚴重影響生產制造，給客戶帶來經濟損失，為此對該系統進行詳細檢測，測量示意圖如下圖1所示，測量儀器為：日置PW3198電能質量分析儀。

圖1 400V系統測量示意圖

本次對比以419平臺為例，A、B、C為三點同時測量，分別為419馬力變頻器A相經過就地無功補償前后以及無功電流情況，測量數據如圖2所示。

圖2  419平臺電流數據

其中I1為變頻器沒有進行無功補償時A相電流，I2為無功柜A相電流，I3為補償無功后A相電流，I4為SSSDA相電流，可見SSSD諧波含量較小可忽略。通過數據可發現兩個問題，一是無功柜內有諧波灌入，含量高達28.26%，二是變頻器諧波經過純容無功補償后嚴重放大，具體放大數據對比如表1所示。

表1  419馬力變頻器諧波列表

從表1中可發現，變頻器產生諧波主要以5/7/11/13次為主，無功補償后，THDi由原來26.34%放大到96.31%，5次諧波由原來55.94A放大到88.35A，7次諧波由原來20.1A放大到37.86A，且在放大諧波后，系統的諧波電流比基波電流大，在變頻器滿載時將會十分危險。

解決上述問題的關鍵在于：需從根本上抑制這種諧振放大現象，若僅用有源濾波（以下簡稱APF）進行諧波治理，并不能避免諧波放大，甚至當APF補償率越高放大效果反而越明顯。

所以對原電容補償支路進行串聯7%電抗器，抑制5、7次以上諧波流入無功柜，同時避免諧振現象，用晶閘管替換接觸器投切方式，保證過零投切，有無涌流、觸點不燒結、微能耗等優勢，可有效保證無功柜性能和使用壽命。無功柜改造示意如圖3所示。

圖3  無功改造示意圖

無功改造基礎上增加APF進行諧波治理，并聯于無功柜與負載之間，一段時間使用后，測量效果如圖4~圖9所示，電流波形由馬鞍狀趨向正弦波，電流畸變率由原來32.82%降低至3.91%，電壓畸變率由6.09%降至1.42%，滿足國標GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》中諧波電壓不超過5%的限值，當前工況下，無功柜可正常工作，功率因數得到提高，從跟本上解決諧波放大問題，消除負載諧波電流，使電壓諧波畸變率大大減小，提高供電質量，給生產帶來保障。

圖4 補償前電壓電流波形              圖5補償后電壓電流波形

圖6 補償前電流及電流畸變率         圖7補償后電流及電流畸變率

圖8 補償前電壓及電壓畸變率          圖9補償后電壓及電壓畸變率

4、結論

上述分析說明，該串抗無功補償和APF混合補償方案不但可有效消除負載諧波電流，而且可抑制電容器組對系統諧波的放大，充分發揮無功柜的經濟性和APF濾除諧波的高效性等優勢，具有較高的工程應用價值。該方案適用性廣，可廣泛應用于其他行業的類似工況場合，為電力系統保駕護航。