低压系统阻抗型无功补偿与谐波滤波装置及应用

低压节能控制系统广泛使用非线性负载而产生的谐波与无功污染，已成为低压系统电能质量应重点关注的问题，阻抗型无功补偿与谐波滤波装置可较低成本并有效解决这类问题，但在工程应用中出现了一些混淆或者夸大其功能的情况。本文从《GB/T 26870-2011滤波器和并联电容器在受谐波影响的工业交流电网中的应用》出发，并利用仿真实例来分析阻抗型无功补偿与谐波滤波装置的原理和功能异同，及其在低压系统应用中应该注意的问题。

1、引言

由于低压负荷性质发生了深刻变化，谐波也日益广泛地渗透到了低压系统。电网谐波一般来自三个方面：一是发电电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，这是低压电力系统中谐波的主要根源。如今，广泛使用的负载大部分都是非线性负载，如整流器、UPS类设备、电梯、空调、变频器、节能灯、计算机设备、家用电器等；另外，低压配电系统中广泛使用并联电容补偿方式，在提高功率因数的同时也产生了谐波放大的现象。这些非线性负荷产生的谐波污染会对电网和所有用户后端产生严重的危害，同时产生的无功功率还造成电压波动与闪变等电能质量问题，危害电网的安全运行。

因此，为了保证电网的安全稳定运行，必须采取谐波与无功功率的治理措施，提高低压配电系统的电能质量。本文基于GBT 26870-2011介绍了两种阻抗型无功补偿与谐波滤波装置：调谐滤波器和失谐滤波器，并利用仿真实例来分析其原理和功能异同，及其在低压系统应用中应该注意的问题，为电能质量装置制造商和电力用户在选择阻抗型无功补偿与谐波滤波装置时提供了专业化的建议。

2、阻抗型无功补偿与谐波滤波装置—调谐滤波器

2.1 调谐滤波器定义

GBT 26870-2011的定义：调谐频率与滤波频率相差不大于10％的滤波器。

无源滤波器是利用电容和电感的串联谐振原理，在调谐频率下使滤波支路的等效阻抗近似为零，对调谐频率及其附近的谐波电流呈现低阻抗通道，以实现滤除谐波电流的目的。调谐滤波器滤波示意图如图1所示。

2.2 调谐滤波器的认识

（1）对定义的理解

理想条件下，滤波装置的调谐频率应该与需要滤除的特征谐波频率相等，以取得最好的滤波效果。考虑到滤波电容器的温漂及制造偏差、滤波电抗器的制造偏差、铁心电抗器的非线性以及系统阻抗的变化等因素，可能会使滤波器的谐振频率发生偏移，使滤波器的阻抗在特征谐波频率处呈容性，导致谐波电流的放大。为了保证滤波器长期运行的可靠性，一般要求滤波器的调谐频率与特征谐波的频率相差不大于10％，且为负偏差。

（3）调谐滤波器应用中应注意的问题

1）调谐滤波器的调谐频率是根据应用系统特征谐波电流的频谱分布而确定，且调谐频率靠近特征谐波频率（相差在10%以内的负偏差），对调谐滤波器的电容器和电抗器制造精度要求较高，一般要求电容值精度的误差在0～2.5%以内。

2）应用调谐滤波器的系统必须有一定量的无功功率需求，调谐滤波器安装容量和基波补偿容量是两个不同的概念，基波无功补偿容量越大，则电容器安装容量越大，调谐滤波器运行越安全可靠。

3）调谐滤波器流过的电流包含基波无功补偿电流和滤除的特征谐波电流，因此调谐滤波器的安装容量还与应用系统特征谐波电流发生量大小有关，特征谐波发生量大则流过调谐滤波器部分的谐波电流越大，要求调谐滤波器电抗器的额定电流，电容器额定电压和额定电流越大，造成电容器的安装容量就越大。

4）尽管谐波滤波与无功补偿密不可分，但调谐滤波器主要功能是滤除应用系统中存在的特征谐波电流，并同时具备无功补偿的辅助功能。

3、阻抗型无功补偿与谐波滤波装置—失谐滤波器

3.1 失谐滤波器的定义

3.2 失谐滤波器的认识

（1）对定义的理解

按照GBT 26870-2011的定义，调谐频率低于电压或电流幅值不应忽略的最低次谐波频率10％以上，主要考虑失谐滤波器调谐频率要偏离特征谐波频率，一是避免失谐滤波器对低于失谐滤波器谐振频率的特征谐波电流发生放大；二是避免过多的特征谐波电流流入失谐滤波器造成电容器、电抗器过电压和过电流。

（2）失谐滤波器应用中应注意的问题

1）失谐滤波器调谐频率要避开应用系统中最低的特征谐波频率，对电容器和电抗器制造精度要求不高，选用无功补偿电容器，一般要求电容值精度的误差在0～10%以内，其价格比调谐滤波器较低。

2）失谐滤波器的基波无功补偿容量计算方法同调谐滤波器，由于失谐滤波器的调谐频率一般偏离特征谐波频率，流入失谐滤波器的特征谐波电流量比调谐滤波器要小得多，失谐滤波器的电抗器和电容器选取的额定电流比调谐滤波器要小，因此相同基波补偿容量时电容器的安装容量比调谐滤波器要小得多，同时电容器的额定电压也可以选低一些。

3）失谐滤波器对高于调谐滤波器的特征谐波有一定的滤波效果，但必须认识到调谐滤波器设计调谐频率接近特征谐波，但失谐滤波器设计调谐频率是远离调谐频率，本质上是避免过多的谐波电流流入失谐滤波器，从而保证失谐滤波器的长期安全稳定运行。

4）失谐滤波器的主要功能是补偿应用系统的无功功率，并同时具备一定谐波滤波的辅助功能。

4、阻抗型无功补偿与谐波滤波装置在低压系统中的应用

4.1 低压节能控制系统应用背景

某10kV/0.4kV低压系统，短路容量以基准短路容量10MVA计算，基波无功需求量为150kvar，非线性负荷产生的5次和7次谐波电流分别为120A和90A，采用阻抗型无功补偿与谐波滤波装置治理该低压系统的谐波与无功问题，四种参考解决方案如下：

（1）设置5%串联电抗器的失谐滤波器；

（2）设置6%串联电抗器的失谐滤波器；

（3）设置7%电抗器的失谐滤波器；

（4）设置5次和7次调谐滤波器。