谐波系统无功补偿装置元件选型计算

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1、谐波系统无功补偿装置元件选型计算黄宏龙摘要：谐波污染导致传统的无功补偿方式－并联电力电容器无法正常投入使用，调谐型无功补偿方式可有效应用于谐波污染严重的电网中。调谐型无功补偿装置采用电容器串联电抗器的方法，使该回路的调谐频率低于网络中产生的最低次谐波的频率。电容器和电抗器的特征参数共同决定了补偿装置的调谐频率及补偿容量。本文详细介绍了调谐型补偿装置的调谐频率确定原则，电容器电容值、设计电压、设计容量计算方法及电抗器的选择，并以实例说明此选型过程。1概述1.1选用调谐型无功补偿装置的必要性电力系统中实现无功补偿的

2、传统方式是并联电力电容器。近年来，非线性负载如整流设备、变频器、UPS、电梯、空调等广泛使用，产生大量谐波电流并注入到电网中。谐波污染较大的系统中，单纯并联电容器组的无功补偿方式是不能很好使用的。原因有二：一是并联电容器组对谐波有放大作用，易发生串联谐振或并联谐振，使得系统电压及电流的畸变更加严重；二是由于谐波电流叠加在电容器基波电流上，使电容器的电流有效值增大，造成温度升高，减少使用寿命，甚至永久损坏。调谐型无功补偿装置采用与电容器串联电抗器的方法，使该回路的调谐频率低于网络中产生的最低次谐波的频率。这样，该

3、装置在工频时呈容性，改善功率因数；在谐波频率时呈感性，防止谐波放大，避免谐振的发生。因此，调谐型无功补偿装置得到日益广泛的应用。1.2调谐型无功补偿装置的应用场合现代工业和建筑物电网中完全没有谐波电压和谐波电流是不可能的，那么是否均需采用调谐型无功补偿装置呢？那也不一定。Schneider-Electric公司给出了低压电网选用调谐型无功补偿装置的经验标准。变压器视在功率为S，其负荷中谐波源设备视在功率nGh为G，当>25%时，建议使用调谐型无功补偿装置。hSn2调谐型无功补偿装置的选型计算2.1调谐型无功补偿

4、装置回路分析调谐型无功补偿装置回路如图1所示：电网电压为U，回路中无功电流为I，调n谐电抗器阻抗Z，电抗器两端电压为IZ，电容器阻抗Z，电容器两端电压为U。LLCC由电抗和电容的阻抗特性，电抗器端电压与电容器端电压方向相反。-1-图1：调谐无功补偿装置回路调谐无功补偿装置在工频时呈容性，实现无功功率补偿功能，因此下文中f均指工频频率。目前我国电网工频为50H。Z调谐补偿回路阻抗ZZZ——式1RCL其中，感抗ZL2fL——式2L11容抗Z——式3CC2fCUUnn电网电压为U

5、时，该回路无功电流I——式4n3Z3(ZZ)RCL22UUnn实际无功补偿容量Q——式5ZZZRCL电容器端工作电压UU3IZ——式6CnL由式5、式6可知，与纯电容补偿回路相比，串联电抗器后，电容器端电压有所抬升，高于电网电压，并使无功补偿容量有所增加。2.2调谐型无功补偿装置的选型计算在已知电网电压U，电网谐波频谱特性及所需单组无功补偿容量Q的情况下，如n何选择调谐补偿装置的电容器与电抗器呢？下文将做详细描述。第一步：确定调谐频率f或电抗率K或调谐次数n。r不同配电系统中特征谐波频谱

6、特性是不同的。为使调谐型无功补偿装置能够正常使用，该回路的调谐频率f需低于网络中最低次谐波的频率。如电网中含有3次、5次及r以上谐波，调谐频率f需低于3次谐波频率（50H电网中3次谐波频率为150H）；rZZ-2-电网中含有5次、7次及以上谐波，调谐频率f需低于5次谐波频率（50H电网中5次rZ谐波频率为250H）。调谐频率f计算方法如下：Zr1f——式7r2LC3其中，L为电感值，单位H，常用mH(1mH=10H)；6为电容值，单位F，常用F(1F10F)。《GB50227-95并联电容器

7、装置设计规范》对调谐补偿装置的电抗率K作出如下规定“当并联电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上时，宜取4.4%~6%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，宜取12%”。调谐频率f与电抗率K是相互关联的。电抗率K的定义是工频条件下电抗器感抗r与电容器容抗的比值，即2ZLL2250KLC2(50)LC——式8Z112C()C2LC由式7、式8可得f与K的关系：r250K——式9fr50f——式10rK调谐补偿装置的另一个特征参数为调谐次

8、数n，对于50H的电网：Zfrn——式11501由式9、式11，可得K——式122n因此，确定f、K、n中任一参数值，即可完成选型工作的第一步。rSchneider－Electric公司提供的调谐型无功补偿装置的特征参数如表1。调谐频率调谐次数n电抗率Kfr135H2.713.7%Z190H3.86.92%Z215H4.35.4%Z表1：Schneider－Electric调谐型无