电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨.doc

电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨 电力网络的谐波分析 1、电网谐波简化等效电路及其基本特性 首先分析在没有电容设备且不考虑输电线路的的电容时，电力系统的谐波阻抗Zsn可由下式近似表示： 式中：Rsn---------系统n次谐波电阻； Xsn---------n次谐波电抗，Xsn=nXs Xs----------工频短路电抗； 其次设定并联电抗的基波容抗为Xc，n次谐波容抗为Xcn，则 由此可知，并联电容后，系统的谐波等效电路如下所示： 系统的n次谐波阻抗变为了Zsn’由下式表示： 电力系统中主要谐波源为电流源，其主要特征是外阻抗变化时电流不变。其简化电路和谐波等效电路如此下图： 由图（b），根据谐波电流在系统支路和电容器支路中的分配与各支路的阻抗成反比，可得到回路的基本特性方程： 式（1）、式（2）表达了以相对单位值表示的系统支路与电容器支路谐波电流与回路各参数之间的关系。经过坐标变换可知，式（1）、式（2）均为等边双曲线方程。 2、谐波电流谐振特性曲线的物理意义 对图2的曲线所画定的区域做一个概括介绍： 抑制谐波的滤波补偿区 图2中以ξ=0垂线划界，其右侧ξ为正值，即 ，所以，电容器支路对该次谐波成感性。此时，两支路电流均为正值，即其方向都与谐波源电流流出方向一致，见图1(b)。线路参数决定的ξ值落在该区域时，系统和电容器两支路谐波电流都不会被放大，其和等于谐波源电流Ia。所以，该区域是抑制谐波的滤波补偿区。 自然补偿区 图2中以ξ=0垂线左侧区域ξ为负值，即 ，此时，电容器支路对该次谐波均成容性，系统和电容器两支路谐波电流都受到不同程度的放大。但是，在ξ＜-2的区域，系统谐波电流只受到轻度放大，电容器支路仅流入部分谐波电流。这一区域对应于电网没有显著的谐波负荷时的无功补偿状态，即电容器支路不串电抗或仅串电抗率很低的电抗仍能进行正常的无功补偿，故该区域可称为自然补偿区。 谐波电流的谐振区 在 的区域，电容器支路和系统支路谐波电流都会被严重放大甚至发生谐振，特别是ξ＝－1是并联谐振的中心点。此处，谐波电流被极度放大，其数值取决于回路的Q值，可达到原值的几十至几百倍。显然，电容器无功补偿和滤波都必须调整回路参数，避开这一区域。 ⑷、全滤波补偿区 ξ=0处电容器支路 ，即对该次谐波呈串联谐振状态。此时由于对该次谐波阻抗为0，该次谐波全部流入该电容支路。于是该点就是滤除该次谐波最佳位置，实际的滤波支路工作点就在该点附近。 此外，ξ＝ 1时，两组曲线有唯一的交点（1,1/2）,此时系统支路与电容器支路各负担谐波电流的一半。 3、针对谐波电流谐振特性曲线的各区域的特性展开详细讨论 ⑴、自然补偿区的分析 如上所述自然补偿区指图2左端ξ＜-2的区域，通常ξ值为较大的负数，电容器支路虽是容性，但只会引起谐波电流的轻度放大。故系统和电容器支路都不存在显著的谐波问题，一般只有变压器和电机等设备在运行中可能会产生的3次和5次谐波以及一些小容量的非线性负荷。因此，电容器支路可以不采取抑制谐波和滤波的措施，即电容器支路可以不采取抑制谐波或滤波措施，即电容器支路不串电抗（如大多数低压侧补偿柜）或仅串0.1～1%的限流电抗（如某些高压补偿柜）。 由式3 ，在该区域XL/XL=0～0.01；通常 ，如 ，则ξ＜（-11～-4）。 可以看出，如果无功补偿容量相对较小，例如 的场合，补偿不会带来显著谐波问题。 但是如果电网内遇到较高次谐波或补偿电容器串有较大的电抗率，造成ξ的绝对值减小时，谐波放大问题就会变得严重。在ξ＝ 2时注入电网的谐波电流就能达到2In。 应当看到, 根据ξ的表达式在此区域内电容器支路增设电抗（如采用1%的电抗）仅能限制涌流，并不能抑制谐波，反而是随着电抗率的提高, 对谐波的放大作用会增强。除非电抗率或谐波次数的增加足以使ξ值跨越谐振区[－2＜ξ＜－1/2 ]而进入感性区（ξ变为正值），谐振才能受到抑制。 此外， 数值对谐波放大起着关键性作用。此值减小时若的绝对值变小，谐波放大问题会变得严重，甚至进人并联谐振区。例如小容量的配电变压器二次侧投人较大的无功补偿容量， 不仅有可能发生过补偿，造成无功倒送，而且会使ξ值接近－1，而进人谐振区。在处理无功补偿问题时，这是必须注意的。 ⑵、滤波补偿区的分析 图中ξ＞0的区域，其特点是系统中存在显著的谐波源而电容器支路串联有足够大的电抗，使得