諧波濾波電抗器在生產中的應用研究

趙瑞雪

摘 要：電力系統中的非正弦電力波所導致“電力公害”表現在多個方面，嚴重時容易導致電力系統的癱瘓。為了降低諧波對電力系統的危害，一般采用諧波濾波裝置。傳統的濾波裝置大體分為有源和無源濾波兩種。無源諧波濾波裝置因其結構簡單，建設成本低，運行穩定性較高而廣泛應用。文章結合諧波的基本概念，主要分析傳統無源濾波器的性能缺陷，并針對性的提出無源動態諧波濾波器的拓撲結構和在生產中的應用

關鍵詞：諧波濾波電抗器；原理；設計；計算；應用效果

隨著現代工業化規模的不斷擴大，社會生產活動對電力系統運行所帶來的壓力逐漸提升，另一方面，大量非線性負載接入電網，使得無功消耗量增加，隨之而來的諧波危害也日趨嚴重。為了提高電網運行的整體質量，營造一個綠色安全的電網系統，無功補償和諧濾除迫在眉睫。相對于有源濾波器，無源濾波器因其結構簡單、投入成本較低、具有較高的運行可靠度，應用較為廣泛，但傳統無源濾波器也存在著一些性能上的缺陷，如容易造成系統過補償，濾波精確性不高。基于傳統無源濾波器存在的缺陷問題，文章主要探討一種基于晶閘管式可變電抗器的無源動態諧波濾波器的拓撲結構和運行原理。

1 諧波的產生

電力系統中的非線性用電設備是諧波的主要產生源，這些線性設備的使用主要集中大型工業和能源產業領域，其生產所需要的諸如換流設備以及其他非線性設備導致了電力系統非正弦電力波的產生。隨著越來越多的硅整流、可控硅等換流設備應用與工業生產中，對電力系統的非線性負荷將逐步加大，由此而來大量諧波對電力系統帶來危害，造成電網系統的負載和無功功率增加，嚴重影響了電力系統的電能輸出質量。

2 傳統無源濾波器的性能缺陷

傳統無源濾波器的電抗感應指和電容值是具體電力系統的實際需要而設計。電容器的電容值受制約與系統額定電壓和額定容量。（1）無源濾波器的電容器在補償過程中不能進行分段切除和投入，受到電感值固定不變的客觀制約，容易造成系統的過補償，降低了無功功率的補償效果。

（2）無源濾波器在長時間工作環境下，溫度的變化會導致電容器容量QCN的逐漸衰減。由電容器電容值C計算公式可知，在額定電壓不變的情況下，電容值C隨之減小。傳統無源濾波器的電抗器的固態不變性，使得在設計之初電感值L將不再發生改變，根據濾波頻率計算公式推導出，電容值的減小會造成濾波頻率的增大。比如，系統的最低次諧波為5次，在正常運行的情況下，傳統無源濾波器能夠滿足系統濾波和無功補償的需求。然而，當系統電容容量下降40%時候，系統諧振頻率會增大到322赫茲，容易導致系統諧振點發生漂移，傳統無源濾波器在5次諧波下呈現出的完全電容性，易導致諧波的放大，造成濾波器與系統發生諧振，降低濾波器的調諧效果甚至失去效能，這就嚴重影響了傳統無源濾波器的諧波濾除效果。

3 無源動態諧波濾波器的拓撲結構設計

要解決傳統無源濾波器的以上缺點，必須滿足兩方面的條件：

（1）實現濾波電容器的分段投入和切除；

（2）實現濾波電抗器的動態可調節性，達到動態調諧作用。針對前者可以通過調整電容器結構的方式來解決，這個問題相對較容易解決；針對后者，可以利用晶閘管式可變電抗器來實現電感的動態調諧作用。基于晶閘管式可變電抗器的無源動態諧波濾波器的拓撲結構示意圖如圖1所示。

圖中，QS為隔離開關，QF為斷路器，FS為快速溶斷器，KM為電容接觸器，C為濾波電容器。無源動態濾波器主要由可變電抗器、晶閘觸發電路和電容器組成。其中可變電抗器由可變線圈KL和控制線圈兩部分共同組成。由多組快速熔斷器、電容接觸器與電容器并聯組成電容器組，其中分組電容器可以實現分段投入和切除；無源動態濾波器的主體由可變線圈KL的一端與電容器串聯構成；控制線圈與反并聯晶體閘管構成系統回路；可變電容器的阻抗通過對反并聯晶閘管調節所觸發的電路脈沖移相角來改變，從而實現可動態調諧的目的。

4 無源動態諧波濾波器在生產中的應用分析

（1）無源動態諧波濾波器在實際運行中，通過計算公式確定最低次諧波的諧振頻率，以此數值為標準推導出無源動態諧波器的調諧頻率。按照先投入后切除的低次諧振處理方式實現無源動態濾波器的系統濾波和無功補償。

（2）無源動態諧波器采用可變式的動態電抗器，能夠根據系統參數設計調整感抗。另一方面，無源動態諧波器的電容器結構被設計成分段式，在實際生產運行中，可以結合系統無功補償的實際需要，有目的的對電容器進行分段投入和切除。電容和電抗的動態可變性，能夠有效的調控濾波器的諧振頻率并使其穩定在系統需要的濾波頻率上，避免造成系統的過補償。在基波頻率下，電抗可變式的無源動態濾波器呈現出完全電容性，能夠有效的吸收系統的無功功率，平衡了系統感性負載所產生的感性無功功率，實現了系統無功的有效補償。

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