低壓無功補償與諧波抑制產品應用探討

熊小俊

(中國建筑設計研究院有限公司，北京100044)

0 引言

大型辦公建筑、數據中心、工業廠房等電力系統中存在大量感性負載和非線性負載，導致消耗大量無功功率，產生諧波電流。感性負載無功功率消耗會增加直接導致有功功率輸出減少，從而降低設備輸出效率和功率因數，典型設備如變壓器、電動機等。同時，非線性負載會產生諧波電流，如變頻器、UPS等。諧波電流對電能質量和電氣設備的危害更是不言而喻。合理選擇無功補償與諧波抑制產品是解決以上問題的重要途徑。

1 無功補償產品的分類

眾所周知，供電部門明確要求用戶的平均功率因數在0.9以上。當用戶用電設備自然功率因數偏低達不到要求時，則應裝設必要的無功功率補償裝置，以提高功率因數。工程設計中，通常采用在變配電室低壓母線處并聯電力電容器的方式，補償或平衡電氣設備的感性無功功率，提高功率因數。補償容量可通過估算或按公式(1)計算確定。主要產品分類在下文進行詳細闡述。

式中，tgφ1、tgφ2為補償前、后功率因數角的正切值；Pc為計算有功功率。

1.1 純電容補償

通過在電網中并聯固定電容器的方式，補償系統無功功率，提高功率因數。但由于配電系統中存在諧波電流，電容器受電流和諧振的影響，經常發生電容器燒毀等事故。此類產品屬于早期電容補償產品，現已不再使用。

1.2 LC安全補償

為避免用電系統中的諧波對電容器的影響，須在電容器前端串聯一定系數的電抗器，即構成傳統LC安全補償裝置。同時，安全補償裝置因為串聯電抗器，構成了LC諧振回路，所以在補償無功的同時具有一定的諧波治理能力。

LC安全補償原理及諧波抑制:電容電抗串聯回路具有調諧頻率(電抗率7%-諧振頻率189Hz、電抗率14%-諧振頻率134Hz、)，對低于這個頻率的基波呈容性，實現無功補償的功能，對于高于這個頻率的諧波電流呈感性，呈現低阻抗的濾波功能。因此抑制三次及三次以上諧波采用電抗率為14%的電抗器，抑制五次及五次以上諧波選用電抗率為7%的電抗器。

LC安全補償分類:根據電抗器、電容器組投切開關的不同，LC安全補償裝置又可分為兩種，一種為專用接觸器投切(靜態補償)，另一種為電子裝置投切，即晶閘管投切(動態補償)。示意圖詳見圖1。

圖1 LC安全補償

晶閘管投切與接觸器投切相比，具有對控制信號反應速度快、通斷無次數限制、可實現分相補償等優點；市場晶閘管投切電容、電抗器典型裝置有SVC(靜止無功補償裝置)，其直接將控制器、電容、電抗、晶閘管投切開關及二次控制回路，進行成套組柜。根據系統電壓、無功功率，通過智能無功補償控制器控制模組內投切開關對電容器進行投切，實現電容器無涌流、無沖擊投入(晶閘管開關采用過零投切)，達到穩定系統電壓、補償電網無功、改善功率因數、提高變壓器承載能力的目的。通常，接觸器投切一般用于穩定負載、不頻繁投切的電容補償，而晶閘管投切更適用于快速變化負載，如冶煉、軋鋼、煤礦、化工等行業。

1.3 SVG(低壓靜止無功發生器)

SVG產品區別于傳統的LC電容補償，采用電力電子技術與無源器件相結合的結構，通過電力電子器件的可控性實現無功補償雙向、快速、無極的精準補償。

補償原理:SVG無功補償裝置通過外部電流互感器CT，實時檢測負載電流，經過控制器進行計算分析負載電流中的無功分量，將負載電流的無功分量與設置值做比較，控制PWM信號發生器發出控制信號給內部IGBT，使逆變器輸出矯正功率因數的無功補償電流，對電力系統的無功功率實施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進行雙向連續無功快速無極調節，達到快速補償系統對無功功率的需求，同時可智能調節三相輸出電流，兼具三相不平衡治理功能。示意圖詳見圖2。

圖2 SVG(有源補償)

LC安全補償(無源補償)和SVG(有源補償)主要技術指標對比詳見表1。

主要技術指標對比分析 表1

綜上所述，針對低壓系統中用到的無功補償方法，純電容補償已經不再使用，LC補償系統雖然是目前的主流設計方案，但是相對于先進的SVG補償方案在功能方面和補償效果方面都相差甚遠，而先進的SVG補償方案除了補償無功功率以外還可以解決三相補償，同時在低次(3、5、7、11、13)諧波濾除上也有很好的效果且無發生諧振的風險，因此目前低壓配電系統最佳的電能質量解決方案是選用SVG產品。

2 諧波抑制產品

隨著電力電子技術及節能技術的快速發展，越來越多的非線性負載(如LED、照明設備、UPS不間斷電源以及辦公設備和動力變頻等)運行在配電系統當中，造成配電系統的諧波含量增加，諧波的增加除了造成配電能源的浪費以外還會造成用電設備的隨機性故障，甚至引發用電安全事故。因此目前的低壓配電系統方案中諧波治理也是必須要考慮的。

諧波治理方案中對于用戶系統來講，常用的方案就是在配電系統低壓側加裝集中諧波治理裝置。諧波抑制裝置根據濾波原理可分為無源濾波器和有源濾波器兩類。

2.1 無源濾波器

無源濾波器由L、C等元件串聯起來，在諧波頻率構成串聯諧振回路，利用串聯諧振阻抗最低的特性，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，對相應頻率諧波電流進行分流，提供被動式諧波電流旁路通道，即可阻止該次諧波流入電網。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等特點，適用于負載穩定、諧波階次單一且功率因數較低的工程。由于目前供電系統中諧波階次比較復雜且功率因數較高，所以該濾波方案適用性很小。

2.2 APF(有源濾波器)

有源濾波器主要是由電力電子元件構成的電路，使之產生一個和系統諧波同頻率、同幅值但相位相反的諧波電流與系統諧波電流抵消。與無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可克服無源濾波只能濾除固定次數諧波的缺點，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；且濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險。從電路工作原理上看，APF是通過外部電流互感器CT，實時檢測負載電流，通過控制器計算分析，將采集到負載電流的諧波成分通過PWM信號發送給內部IGBT，控制逆變器產生一個和負載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網中補償諧波電流，實現濾除諧波功能。示意圖詳見圖3。

有源濾波器選擇應用時，補償電流的確定是其選擇關鍵。選型時首先應明確諧波源的類型，如劇場的諧波源主要是燈光控制需要的可控硅、大型公建中的諧波源主要為變頻設備等，不同諧波源對應諧波畸變率不一樣。工程設計中一般根據同類型工程測試數據或分析報告確定諧波畸變率。例如:硅整流設備總諧波畸變一般在45%～55%之間，空調變頻設備總諧波畸變一般在30%～40%之間。因此，根據設備負荷率及需要系數，結合總諧波畸變率，可較為準確的算出諧波電流。從而選擇對應的補償電流。

圖3 APF(有源濾波器)

2.2.1有源濾波器選型工程實例

某劇場舞臺燈光設備容量為800kW，采用可控硅進行調光。根據以往現場測試經驗數據，劇場在正常演出時舞臺燈光設備負荷率約為50%，此時諧波電流幾乎達最大值，諧波畸變率為45%左右。取舞臺燈光設備同時系數為0.7。

因此，線路中基波電流IL＝800×50%×0.7/0.4/1.732＝404A，諧波電流IH＝(800×50%×0.7/0.4/1.732)×45%＝181.8A。可知，選擇一臺補償電流為200A的有源濾波器進行諧波治理，其零線諧波電流治理能力為600A。

SVG與APF工作原理及主電路圖比較，兩者基本一致，只是APF采用1 200V高頻IGBT，開關頻率可達到20kHz，濾波范圍在2～50次諧波，而SVG開關頻率一般為10kHz，濾波范圍在2～25次諧波。不難發現，SVG主要用于補償無功電流及低次諧波治理，而APF主要目的是用來濾除系統諧波，兼顧無功補償。

2.2.2方案選型

根據以上設備原理特點及成本，針對不同應用場所，以上述設備為基礎，不斷出現各種類型組合方式的產品或方案，下文對具有代表性的組合進行介紹。

(1)SVC＋SVG

SVC主要特點為分組固定投切，相對成本較低。SVG主要優勢為快速、精確補償，可以從0.1kvar開始進行無極補償，雙向調節，功率因數可達到0.98以上，而且能用于低次諧波抑制。因此，融合兩者特點及各自優勢，采用SVC＋SVG模式，選型時，SVG與SVC的無功補償容量之比需根據實際需求選擇適合本項目的方案，一般可按SVG容量占總比補償容量的15%～50%選擇。工作示意簡圖詳見圖4。

(2)SVC＋APF

對于諧波含量高的設備，除了正常電容補償無功功率，諧波的抑制必不可少，尤其是高次諧波。因此LC無功補償裝置與有源濾波器的組合方案，在電能質量要求更高的場所是必要的選擇。

圖4 SVC＋SVG工作示意簡

各類產品選型要點對比詳見表2。

各類產品選型要點對比表2

3 結束語

根據以上主要產品技術特點分析，筆者認為，在一般民用建筑設計中，采用SVC＋SVG組合的方式較為合理，通過分級與無極的有機結合，有效、快速地提高了功率因數，既對大多數的諧波進行了有效治理，又控制了成本。另外針對諧波治理要求更高的場所(如金融、數據機房、醫療行業等)，可參考同類型項目諧波分析報告，通過計算，增設合理參數的有源濾波器，達到提高電能質量的目的。

由于SVG、APF等產品核心元器件為電力電子器件，因此，方案確定后，產品核心元器件的電磁兼容性、散熱結構、使用壽命等直接影響產品質量的因數也不容忽視。