低压无功补偿与谐波抑制产品应用探讨

熊小俊

(中国建筑设计研究院有限公司，北京100044)

0 引言

大型办公建筑、数据中心、工业厂房等电力系统中存在大量感性负载和非线性负载，导致消耗大量无功功率，产生谐波电流。感性负载无功功率消耗会增加直接导致有功功率输出减少，从而降低设备输出效率和功率因数，典型设备如变压器、电动机等。同时，非线性负载会产生谐波电流，如变频器、UPS等。谐波电流对电能质量和电气设备的危害更是不言而喻。合理选择无功补偿与谐波抑制产品是解决以上问题的重要途径。

1 无功补偿产品的分类

众所周知，供电部门明确要求用户的平均功率因数在0.9以上。当用户用电设备自然功率因数偏低达不到要求时，则应装设必要的无功功率补偿装置，以提高功率因数。工程设计中，通常采用在变配电室低压母线处并联电力电容器的方式，补偿或平衡电气设备的感性无功功率，提高功率因数。补偿容量可通过估算或按公式(1)计算确定。主要产品分类在下文进行详细阐述。

式中，tgφ1、tgφ2为补偿前、后功率因数角的正切值；Pc为计算有功功率。

1.1 纯电容补偿

通过在电网中并联固定电容器的方式，补偿系统无功功率，提高功率因数。但由于配电系统中存在谐波电流，电容器受电流和谐振的影响，经常发生电容器烧毁等事故。此类产品属于早期电容补偿产品，现已不再使用。

1.2 LC安全补偿

为避免用电系统中的谐波对电容器的影响，须在电容器前端串联一定系数的电抗器，即构成传统LC安全补偿装置。同时，安全补偿装置因为串联电抗器，构成了LC谐振回路，所以在补偿无功的同时具有一定的谐波治理能力。

LC安全补偿原理及谐波抑制:电容电抗串联回路具有调谐频率(电抗率7%-谐振频率189Hz、电抗率14%-谐振频率134Hz、)，对低于这个频率的基波呈容性，实现无功补偿的功能，对于高于这个频率的谐波电流呈感性，呈现低阻抗的滤波功能。因此抑制三次及三次以上谐波采用电抗率为14%的电抗器，抑制五次及五次以上谐波选用电抗率为7%的电抗器。

LC安全补偿分类:根据电抗器、电容器组投切开关的不同，LC安全补偿装置又可分为两种，一种为专用接触器投切(静态补偿)，另一种为电子装置投切，即晶闸管投切(动态补偿)。示意图详见图1。

图1 LC安全补偿

晶闸管投切与接触器投切相比，具有对控制信号反应速度快、通断无次数限制、可实现分相补偿等优点；市场晶闸管投切电容、电抗器典型装置有SVC(静止无功补偿装置)，其直接将控制器、电容、电抗、晶闸管投切开关及二次控制回路，进行成套组柜。根据系统电压、无功功率，通过智能无功补偿控制器控制模组内投切开关对电容器进行投切，实现电容器无涌流、无冲击投入(晶闸管开关采用过零投切)，达到稳定系统电压、补偿电网无功、改善功率因数、提高变压器承载能力的目的。通常，接触器投切一般用于稳定负载、不频繁投切的电容补偿，而晶闸管投切更适用于快速变化负载，如冶炼、轧钢、煤矿、化工等行业。

1.3 SVG(低压静止无功发生器)

SVG产品区别于传统的LC电容补偿，采用电力电子技术与无源器件相结合的结构，通过电力电子器件的可控性实现无功补偿双向、快速、无极的精准补偿。

补偿原理:SVG无功补偿装置通过外部电流互感器CT，实时检测负载电流，经过控制器进行计算分析负载电流中的无功分量，将负载电流的无功分量与设置值做比较，控制PWM信号发生器发出控制信号给内部IGBT，使逆变器输出矫正功率因数的无功补偿电流，对电力系统的无功功率实施灵活、快速的控制，从感性到容性的整个范围进行双向连续无功快速无极调节，达到快速补偿系统对无功功率的需求，同时可智能调节三相输出电流，兼具三相不平衡治理功能。示意图详见图2。

图2 SVG(有源补偿)

LC安全补偿(无源补偿)和SVG(有源补偿)主要技术指标对比详见表1。

主要技术指标对比分析 表1

综上所述，针对低压系统中用到的无功补偿方法，纯电容补偿已经不再使用，LC补偿系统虽然是目前的主流设计方案，但是相对于先进的SVG补偿方案在功能方面和补偿效果方面都相差甚远，而先进的SVG补偿方案除了补偿无功功率以外还可以解决三相补偿，同时在低次(3、5、7、11、13)谐波滤除上也有很好的效果且无发生谐振的风险，因此目前低压配电系统最佳的电能质量解决方案是选用SVG产品。

2 谐波抑制产品

随着电力电子技术及节能技术的快速发展，越来越多的非线性负载(如LED、照明设备、UPS不间断电源以及办公设备和动力变频等)运行在配电系统当中，造成配电系统的谐波含量增加，谐波的增加除了造成配电能源的浪费以外还会造成用电设备的随机性故障，甚至引发用电安全事故。因此目前的低压配电系统方案中谐波治理也是必须要考虑的。

谐波治理方案中对于用户系统来讲，常用的方案就是在配电系统低压侧加装集中谐波治理装置。谐波抑制装置根据滤波原理可分为无源滤波器和有源滤波器两类。

2.1 无源滤波器

无源滤波器由L、C等元件串联起来，在谐波频率构成串联谐振回路，利用串联谐振阻抗最低的特性，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，对相应频率谐波电流进行分流，提供被动式谐波电流旁路通道，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等特点，适用于负载稳定、谐波阶次单一且功率因数较低的工程。由于目前供电系统中谐波阶次比较复杂且功率因数较高，所以该滤波方案适用性很小。

2.2 APF(有源滤波器)

有源滤波器主要是由电力电子元件构成的电路，使之产生一个和系统谐波同频率、同幅值但相位相反的谐波电流与系统谐波电流抵消。与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可克服无源滤波只能滤除固定次数谐波的缺点，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；且滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。从电路工作原理上看，APF是通过外部电流互感器CT，实时检测负载电流，通过控制器计算分析，将采集到负载电流的谐波成分通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，实现滤除谐波功能。示意图详见图3。

有源滤波器选择应用时，补偿电流的确定是其选择关键。选型时首先应明确谐波源的类型，如剧场的谐波源主要是灯光控制需要的可控硅、大型公建中的谐波源主要为变频设备等，不同谐波源对应谐波畸变率不一样。工程设计中一般根据同类型工程测试数据或分析报告确定谐波畸变率。例如:硅整流设备总谐波畸变一般在45%～55%之间，空调变频设备总谐波畸变一般在30%～40%之间。因此，根据设备负荷率及需要系数，结合总谐波畸变率，可较为准确的算出谐波电流。从而选择对应的补偿电流。

图3 APF(有源滤波器)

2.2.1有源滤波器选型工程实例

某剧场舞台灯光设备容量为800kW，采用可控硅进行调光。根据以往现场测试经验数据，剧场在正常演出时舞台灯光设备负荷率约为50%，此时谐波电流几乎达最大值，谐波畸变率为45%左右。取舞台灯光设备同时系数为0.7。

因此，线路中基波电流IL＝800×50%×0.7/0.4/1.732＝404A，谐波电流IH＝(800×50%×0.7/0.4/1.732)×45%＝181.8A。可知，选择一台补偿电流为200A的有源滤波器进行谐波治理，其零线谐波电流治理能力为600A。

SVG与APF工作原理及主电路图比较，两者基本一致，只是APF采用1 200V高频IGBT，开关频率可达到20kHz，滤波范围在2～50次谐波，而SVG开关频率一般为10kHz，滤波范围在2～25次谐波。不难发现，SVG主要用于补偿无功电流及低次谐波治理，而APF主要目的是用来滤除系统谐波，兼顾无功补偿。

2.2.2方案选型

根据以上设备原理特点及成本，针对不同应用场所，以上述设备为基础，不断出现各种类型组合方式的产品或方案，下文对具有代表性的组合进行介绍。

(1)SVC＋SVG

SVC主要特点为分组固定投切，相对成本较低。SVG主要优势为快速、精确补偿，可以从0.1kvar开始进行无极补偿，双向调节，功率因数可达到0.98以上，而且能用于低次谐波抑制。因此，融合两者特点及各自优势，采用SVC＋SVG模式，选型时，SVG与SVC的无功补偿容量之比需根据实际需求选择适合本项目的方案，一般可按SVG容量占总比补偿容量的15%～50%选择。工作示意简图详见图4。

(2)SVC＋APF

对于谐波含量高的设备，除了正常电容补偿无功功率，谐波的抑制必不可少，尤其是高次谐波。因此LC无功补偿装置与有源滤波器的组合方案，在电能质量要求更高的场所是必要的选择。

图4 SVC＋SVG工作示意简

各类产品选型要点对比详见表2。

各类产品选型要点对比表2

3 结束语

根据以上主要产品技术特点分析，笔者认为，在一般民用建筑设计中，采用SVC＋SVG组合的方式较为合理，通过分级与无极的有机结合，有效、快速地提高了功率因数，既对大多数的谐波进行了有效治理，又控制了成本。另外针对谐波治理要求更高的场所(如金融、数据机房、医疗行业等)，可参考同类型项目谐波分析报告，通过计算，增设合理参数的有源滤波器，达到提高电能质量的目的。

由于SVG、APF等产品核心元器件为电力电子器件，因此，方案确定后，产品核心元器件的电磁兼容性、散热结构、使用寿命等直接影响产品质量的因数也不容忽视。