低壓成套無功補償裝置抑制諧波或濾波功能驗證試驗研究＊

李濤， 魏慧慧， 劉艷， 駱富保， 那琰

（甘肅電器科學研究院，甘肅天水 741018）

電力系統在運行過程中會產生大量的無功功率，由于大多數用電設備都可以等效為感性負載，所以電力系統中的無功功率以感性無功功率為主。無功功率過剩會降低發電機出力、增加電能損耗、降低供電效率，為了改變這種狀況，必須要進行無功補償，如并聯電容器產生容性無功來中和電力系統中的感性無功，使電力系統中的無功功率達到平衡。

在理想的情況下，電力系統應向用戶提供頻率為50Hz（或60Hz）的交流電，但在實際的電力系統中，由于電力電子設備及其他非線性負載的大量使用，使得電網電壓、電流波形產生了畸變，出現了各種頻率等于基波整數倍的其他正弦分量，也就是諧波。諧波會產生電能質量降低、增加系統損耗、損壞電力設備、干擾通信系統等多種危害，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。按照電力部門誰污染、誰治理的原則，為了對電力系統中的諧波進行抑制或消除，現階段許多用戶選擇采用具有抑制諧波或濾波功能的低壓成套無功功率補償裝置，其在進行無功補償的同時也進行諧波治理。

1 諧波限值

由于諧波會影響電力系統的安全穩定運行，國家標準中對諧波限值也做了要求。1993 年，原國家技術監督局發布了GB／T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》，對電網公用連接點的全部用戶向該點注入諧波電壓（相電壓）、諧波電流（方均根值）限值給出了詳細的要求［1］，并給出了如式（1）所示的當電網公共連接點的最小短路容量不同于基準短路容量時的修正換算公式，用戶可以據此計算出不同系統的諧波限值，并確定出諧波治理要求。

式中：Sk1為公共連接點的最小短路容量；Sk2為基準短路容量；Ihp為第h 次諧波電流允許值；Ih為短路容量為Sk1時的第h 次諧波電流允許值。

2 試驗要求

根據國家標準GB／T 15576-2020《低壓成套無功功率補償裝置》、國家電網公司企業標準Q／GDW 12127-2021《低壓開關柜技術規范》相關條款要求，對于具有抑制諧波或濾波功能的無功功率補償裝置，應進行抑制諧波或濾波功能驗證試驗。進行抑制諧波或濾波功能驗證試驗應在有諧波源的條件下進行，諧波源為有諧波產生的用電系統，也可以是有諧波產生的諧波發生設備［2-3］。試驗時，應分別檢測并記錄抑制諧波或濾波功能單元投入運行之前及抑制諧波功能單元或濾波功能單元投入運行之后的諧波電壓值、諧波電流值等［2-3］。抑制諧波功能單元或濾波功能單元投入運行之后的諧波電壓值、諧波電流值等應符合GB／T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》規定的諧波限值要求。

3 試驗原理及方法

3.1 試驗原理

結合標準對抑制諧波或濾波功能驗證試驗的要求，確定了檢測系統原理圖如圖1 所示。

圖1 抑制諧波或濾波功能驗證試驗原理圖

可調交流電源用來提供試驗電源，要求可根據試品額定電壓調節輸出不同的試驗電壓。諧波發生裝置用來產生諧波，模擬用戶向公共電網注入諧波，要求可按試驗需要輸出任意次諧波以及它們的組合，各次諧波獨立可調。諧波／功率分析儀器用來測試抑制諧波或濾波裝置投入之前、投入之后的諧波電壓值或諧波電流值，要求可測得總諧波量、單次諧波量、波形畸變率等。

3.2 試驗系統

根據試驗原理及要求，確定了如圖2 所示的抑制諧波或濾波功能驗證試驗系統圖。

變壓器：按照市場上低壓成套無功補償裝置的技術參數，變壓器應能輸出400～690V 的試驗電壓。本文采用多抽頭降壓變壓器，將10kV 電網電壓轉換為基準電壓為400V 的試驗電源，并利用變壓器的分接位置變換、星三角轉換等功能，輸出滿足試驗要求的多檔不同試驗電壓。

諧波源：按照市場上現有低壓成套無功補償裝置的技術參數，諧波源應能輸出10～500A 的諧波電流。本文采用的諧波源的諧波范圍為：可同時輸出2～50 次諧波，可按要求輸出任意次諧波以及它們的組合，各次諧波獨立可調。電流范圍為10～500A，可線性調節，誤差在5%之內。接線方式為三相四線制。

諧波測試設備：可采用電能質量分析儀、示波器、功率分析儀、采集系統等。本文采用電能質量分析儀，可測得總諧波量和各次諧波量、波形畸變率等。若想獲得更精確的試驗值，如對于一些研究性試驗，為了避免電網動態變化引入的誤差，可同時在抑制諧波或濾波功能單元兩側（電源側和負載側）進行測量。

QS1、QS2、QS3 為隔離開關，QF 為斷路器，其中QS1、QF 用來控制試驗電源投切，QS2 用來控制諧波源投切，QS3 用來控制試品投切。

3.3 試驗方法

標準要求應分別檢測并記錄抑制諧波或濾波功能單元投入運行之前及抑制諧波或濾波功能單元投入運行之后的諧波電壓值、諧波電流值等。因此，對于抑制諧波或濾波功能驗證試驗一般所采用的試驗步驟為：首先驗證裝置的抑制諧波或濾波單元在通電后能否正常工作；其次測量抑制諧波或濾波功能單元投入之前的系統諧波電流值；然后在抑制諧波或濾波功能單元的前端注入標準要求的諧波電流；再將抑制諧波或濾波功能單元投入，并測量系統的諧波電流值［2-3］。試驗時注入的諧波電流的計算公式如式（2）所示。

式中：I 為測試時注入的最小諧波電流；Q總為補償柜中所配SVG 總容量；Un為SVG 的額定工作電壓。

關于試驗結果的判定原則，對于具有抑制諧波功能的裝置其一般為：裝置投入之后測得的系統諧波含量不應大于裝置投入之前測得的系統諧波含量；對于具有濾波功能的裝置其一般為：裝置投入3min之后，系統的諧波含量應減少到裝置投入前的50%及以下［2-3］。此外，諧波電壓值、諧波電流值等應符合GB／T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》的要求。

4 試驗實例

4.1 試驗樣品參數

對某臺具有濾波功能的低壓成套無功功率補償裝置進行了濾波功能驗證試驗，其技術參數如下：

額定電壓：400V；

補償容量：180kVar。

4.2 試驗過程及結果分析

首先驗證了濾波單元通電后能正常工作，然后按式（2）規定施加不少于64.95A 的諧波電流，試驗波形圖如圖3 所示。

圖3 濾波功能單元投入前波形圖

將補償裝置投入3min 后，再次測量系統諧波含有量為30.23A，試驗波形圖如圖4 所示。

圖4 濾波功能單元投入后波形圖

通過對比濾波功能單元投入前后的系統諧波含有量，可以得出，在濾波功能單元投入之后，系統諧波含有量下降53.46%，超過標準規定的50%，試驗通過，樣品合格。

5 結論

具有抑制諧波或濾波功能的低壓成套無功功率補償裝置是一種具有無功補償與諧波治理雙重功能的設備，如今已廣泛應用于電力系統。本文通過研究其試驗原理、試驗方法等，提出了相關的建議，并通過試驗實例進行了說明。