摘要：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/T26870-2011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。关键字：低压系统；阻抗型；无功补偿；谐波滤波
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GBT26870-2011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GBT26870-2011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。
图1调谐滤波器滤波示意图
GBT26870-2011定义的调谐滤波器即为通常所说的无源滤波器，无源滤波器应用中一般采用单调谐、二阶高通和C型高通滤波器三种形式，如图2所示。
图2常用调谐滤波器
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GBT26870-2011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。
4.2解决方案的仿真研究
（1）失谐滤波器仿真分析
根据公式(5)可计算出分别设置5%、6%和7%次失谐滤波器，安装容量分别为180kvar、178kvar和176kvar，设计修正后可得安装容量为180kvar。其中电容器额定电压选取450V，额定容量为30kvar，共6条支路，滤波器参数见表1。
根据表1中参数，进行滤波装置投入后谐波电流系数的仿真曲线以及报表如图3、表2所示。
图3谐波电流系数曲线
表2谐波电流系数报表
滤波装置投入后流入系统谐波电流见表3。
表3滤波器投入前后注入系统的谐波电流对比
根据仿真结果对失谐滤波器进行安全性校核，校核结果见表4。
表4电容器、电抗器安全校核
由安全校核结果可知，此失谐滤波器设计参数满足安全运行条件。
（2）调谐滤波器仿真分析
系统谐波以5次、7次为主，且5次谐波含量较大，故设计5、7次单调谐滤波器，其中5次补偿容量90kvar，7次补偿容量60kvar。根据公式(5)可得5次滤波支路安装容量150kvar，7次滤波支路安装容量100kvar。其中电容器额定电压选取525V，5次分5条支路，7次分4条支路，调谐系数取0.97，滤波器参数见表5。
表5调谐滤波器参数
根据表5中参数，进行滤波装置投入后谐波电流系数的仿真曲线以及报表如图4、表6所示。
图4谐波电流系数曲线
表6谐波电流系数报表
滤波装置投入后流入系统谐波电流见表7。
表7滤波器投入前后注入系统的谐波电流对比
根据仿真结果对调谐滤波器进行安全性校核，校核结果见表8。
表8电容器、电抗器安全校核
由安全校核结果可知，此调谐滤波器设计参数满足安全运行条件。
5低压系统应用中存在的问题
5.1存在混淆两种装置功能的情况由仿真案例可以看出：
（1）设置调谐滤波器的5、7次谐波电流系数和流入系统的谐波电流相比失谐滤波器更小，滤波效果更好，调谐滤波器以谐波滤波为主，同时具备无功补偿的功能。
（2）调谐滤波器的电容器的安装容量要大于失谐滤波器电容器的安全容量，并且调谐电容器采用滤波电容器，因此成本造价要高于失谐滤波器。
（3）失谐滤波器是以无功补偿为主，同时对谐波电流具有一定的抑制作用。在实际工程应用中，部分装置制造厂家利用了电力用户专业知识不足，在产品宣讲与推广中故意混淆或者夸大失谐滤波器的功能。
5.2低压系统应用调谐滤波器应注意的问题
由于阻抗型无功补偿与谐波滤波装置是阻抗型装置，调谐滤波器的滤波效果优劣和电网（电源）系统阻抗大小有直接的关系，系统阻抗大（对应短路容量小）时，其更容易实现优良的滤波效果。以0.4kV为例，按照GB/T14549-93谐波标准中规定的0.4kV系统基准短路容量为10MVA，根据相关理论计算的系统阻抗约为0.016。从系统阻抗对调谐滤波器滤波效果的影响方面考虑，其在低压系统应用中可能存在以下问题：
（1）系统运行短路容量具有时变性，通过引起系统阻抗变化而影响滤波器的滤波效果；低压系统阻抗值较小，实现较高的谐波滤除率就要求调谐频谱和特征谐波的频率接近。
（2）滤波支路以及各部分联接线均有阻抗，调谐滤波器要实现长期稳定的、较高的滤波效果对装置设计、元器件选型、制造技术较高要求；滤波电抗值和电容值的变化易造成调谐频率大于特征谐波的频率而导致谐波放大。
（3）低压系统运行方式和负荷容量的不确定性可能造成非线性负荷的谐波电流发生量和无功需求量的不确定性（可能增大），从而引起滤波电容器和电抗器过电流和过电压；还可能造成谐波频谱分布的不确定性（增加新频率分量的谐波），滤波器对新谐波分量还可能引起谐波放大；两种情况均可能影响调谐滤波器的长期安全可靠运行。
6结束语
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，应明确以下几点：
（1）调谐滤波器和失谐滤波器在无功补偿和谐波滤波应用中有主辅之分；
（2）阻抗型无功补偿与谐波滤波装置必须明确滤波电容器额定电压、电容器安装容量和滤波器基波补偿容量等参数；
（3）在谐波电流发生量较小，或谐波电流注入系统引起的谐波电压不超标的低压系统，建议采用失谐滤波器治理谐波和无功的问题；
（4）在谐波电流发生量较大，或谐波电流注入系统引起的谐波电压超标的低压系统，建议采用调谐滤波器治理谐波和无功的问题。
作者专栏
朱明星安徽大学电气工程与自动化学院教育部电能质量工程研究中心
余艳君安徽大学电气工程与自动化学院
管慎龙安徽大学电气工程与自动化学院
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原标题：低压系统阻抗型无功补偿与谐波滤波装置及应用
