配电系统为何需要无源滤波补偿系统及有源滤波器？

  一、 配电系统中的无功补偿

  大多数的工业、商业、医疗、建筑等项目，为满足配电系统功率因数的要求，都采用电容器提高系统功率因数。电容器补偿是一种最简单易行的节能方式;可以提高发电机、变压器、传输线路的有功利用率，提升电压质量，使得无功电费减少，经济性好，还具有运行维护方便的特点，曾经被广泛采用。

  二、 配电系统中的谐波和谐振

  1、 配电系统中的谐波源

  由于广泛采用变频(如中央空调、电梯、风机、水泵等)、整流设备(如医疗设备、IT及办公设备、消防控制系统)，各种高新技术的节能灯具等，这些设备产生大量的谐波，使得配电系统的电能质量日益恶化，因谐波导致的用电故障日益增多，电能效率大幅降低，导致大量的能源浪费……典型的受谐波干扰的电流曲线及谐波含量如下(图一、图二)。

  2、 谐波的危害

  (1)串联谐振

  在串联谐振电路里电感和电容是串联连接的——由电容器和变压器电感形成的谐振电路从中压供电网“吸收”谐波电流引起电容过载。串联谐振电路在谐振频率上总是有它的最小阻抗。

  如果在低压系统里存在一个补偿系统，在这样的情况下电容可以吸收谐波电流。这时电容器和变压器电感形成一个串联谐振电路(见图三)。串联谐振电路对于接近该谐振频率的谐波分量几乎是短路的并且从中压供电系统吸收电流，由此电容有可能过载。而且，在电容器和电感中产生极高电压甚至电压电弧。在电容器和在电感里的分路电压超过了总电压。

  图三：串联谐振及其等效电路

  (2)并联谐振

  补偿电容器和变压器电感形成一个并联谐振电路(图四)。如果这个谐振电路的谐振频率与存在的谐波频率相同，这将导致在极高的系统阻抗和下在电路一端产生一个极高的电压谐波。另一方面在电感和电容之间将产生一个补偿电流，增长至几倍于从谐波发生源流进主干网电流。结果是电容器过载，馈电回路和变压器承受额外的负荷。

  图四：并联谐振及其等效电路

  (3)谐波的其它危害

设备种类	谐波造成的危害
变压器	谐波电流增加铜损和杂散损耗，谐波电压将增加铁损，使变压器温度上升 影响其绝缘能力。 谐波也能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和而 产生噪声。 变压器的基波负载容量下降，容量裕度减小。
电动机	增加铜损，铁损，引起附加发热；谐波过电压； 负序谐波造成脉动转矩导致震动加剧，噪音加大并影响使用寿命。
电力电缆	谐波电流增加铜损，导致过热； 降低电缆容量。
开关装置，继电保护	非故障脱扣引起的误动作；谐波电流过大导致开关寿命缩短。
自动控制装置	操作不正常。
电力电容器	过载故障（电过载、介损增加导致热过载、机械过载）； 与系统感性设备形成谐振或谐波放大。
电力仪表	计量不准确
通信设备	引起通信干扰
电力电子设备	控制失控导致误动

  (4)谐波导致的能源浪费

  当配电系统谐波电流畸变率达到30%或以上时，电能质量明显恶化，电能效率大幅降低。以200KW变频器(六波头)为例(设cosφ=0.85)：

  I1=340A Ieff=352A

  由上述电流值可以看出：由于谐波的存在，电流有效值比基波电流增加4%左右，而实际有功输出远远低于没有谐波时的有功输出。

  我们在现场测试的数据也说明滤除谐波后，总电流有明显的降低：

		A	B	C
基波电流(A)	I1	373.9	376.6	347.0	滤波
3次谐波（A)	I3	10.5	18.2	10.3	13:45:40	13:47:05
5次谐波（A）	I5	31.1	31.2	15.4
7次谐波（A)	I7	15.6	13.3	18.0
11次谐波（A）	I11	43.8	45.4	36.0
13次谐波（A)	I13	28.2	29.6	32.1
总谐波（A）	Ih	63.5	66.5	54.7
	Irms	379.2808	382.412	351.322
					未滤波
基波电流(A)	I1	385.4	389.0	361.8	13:47:10	13:48:00
3次谐波（A)	I3	14.2	17.9	9.2
5次谐波（A）	I5	156.5	156.7	139.0
7次谐波（A)	I7	80.9	79.4	82.6
11次谐波（A）	I11	42.9	45.8	35.7
13次谐波（A)	I13	29.1	30.2	32.4
总谐波（A）	Ih	184.2	184.9	169.0
	Irms	427.2	430.7	399.3
基波电流(A)	I1				实际滤除
3次谐波（A)	I3	3.7	-0.3	-1.1
5次谐波（A）	I5	125.5	125.5	123.6
7次谐波（A)	I7	65.3	66.0	64.6
11次谐波（A）	I11	-0.8	0.4	-0.3
13次谐波（A)	I13	1.0	0.6	0.3
总滤除（A）		141.5	141.8	139.5
滤除效率		94.3%	94.5%	93.0%
	△Irms=	47.9	48.3	48.0
电流偏差%		11.2%	11.2%	12.0%

电容器填充介质的性能对比
	水分	产生气体	热老化	易燃	环保	崩裂风险	容值稳定性
植物油	✔	✔	✔	✔	❌		❌
树脂		✔				✔	✔
石蜡					❌		❌
蛭石	❌		❌	❌	✔	❌	❌
氮气	❌	❌	❌	❌	✔	❌	✔

  二、如何避免谐振及谐波危害

  在配电系统中，没有谐波源存在的时候，可以使用普通电容进行功率因数补偿。此时不会有谐振及电容器过载的情形发生。

  但是，当系统中存在谐波的时候，此时谐波电流流过电容器造成电容器过载(电过载及电流增大引致发热的热过载)，也容易和系统中的感性设备发生串联或并联谐振。这种情况下，普通电容补偿不能使用。

  此时，唯有串接特定电抗系数的无源滤波补偿系统能够安全补偿并避免谐振。其原理是：根据系统中的主要谐波次数，选用特定系数的电抗器和滤波补偿电容器串联，为系统提供滤波补偿。此时：

  1、 对于工频电流，电容电抗的组合显现容性，起到提升系统功率因数的作用。同时，串接的电抗具有抑制电流的作用，解决了补偿电容两端瞬间冲击电压的影响，从而保护了电容器，延长了电容器的使用寿命。

  2、 电容和电抗组合使用，形成了LC振荡电路，对于系统中的主要次谐波(一般3、5/7)呈现感性特征，和系统组成的回路不再对这些高频谐波形成谐振或放大。对系统中主要次谐波进行分流，也避免了谐波谐振。这就是无源滤波的作用。

  3、 电抗器和电容器的组合，设定了谐振频率，使得系统谐振的概率大大降低，确保了系统安全。

  采用了串联电抗器的补偿系统，一方面提高了系统的功率因数，另一方面具有抑制滤波的功能，大大降低了系统的谐振几率，并对系统的电容、开关等有保护的作用，系统的安全可靠性得到加强。这是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。

  但当系统中谐波比较大(比如谐波电流含量超过30%时)，无源滤波补偿就无法有效滤除谐波、减少谐波危害了。此时，可采用有源滤波器对谐波进行治理。

  与无源滤波器相比，有源滤波器(APF)具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：

  1、 滤除谐波范围要求：2-51次内全部或选定次数特征谐波，中性线的滤波能力达到3倍相电流，滤除所有零序谐波，谐波滤除率达95%以上;

  2、 不仅能滤除各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;

  3、 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;

  4、 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

  5、 具备过载抑制功能，保证滤波器长时间额定状态不过载。

  6、 使用简单方便，可以多机并联运行。

  7、 滤波器有标准的RS485/232通讯接口，无偿开放通信协议，实现系统综合监控。

  8、 谐波滤除后，可减少谐波造成的各种危害，减少电气设备故障，提高用电安全;谐波电流畸变率降低，电能质量提升，具有一定的节能效果。

  三、意曼科专业的无源滤波产品和普通电容、电抗的区别

  和普通电容器补偿柜相比，意曼科专业设计的无源滤波补偿系统有如下主要特征：

  1、 过流能力大：系统存在谐波时，由于电容器的容性特征，流过电容器的电流显著增大(和基波相比，5次谐波的容抗只有基波的1/5，7次谐波的容抗只有基波的1/7…)，普通电容器的过流能力无法承受。大电流会导致高发热(发热量和电流的平方成正比)，电容器温度会大幅升高(电容器温度升高8℃，寿命就会缩短一半)，这也是普通电容器使用不了多长时间就会出故障的原因之一。无源滤波系统用的滤波电容器、滤波电抗器都是专门设计用于谐波环境的。其中滤波电容器过流能力达1.8～2倍In。电抗器的过流能力达到1.7In。大过流能力才能保证滤波效果，保证温升不会对电容器寿命有影响。

  2、 固定的调谐滤波频率：无源滤波并不是简单的电容电抗的串接，不同的谐波环境需要使用不同电抗系数的电抗器。简单的电容电抗串接，无法保证频率的稳定，也就无法保证滤波效果，不能避免谐振。只有针对性使用特定电感系数、线性度好的电抗器和专用滤波电容器串接后，设定好调谐频率，既对基波提供无功补偿，又能最大化过滤谐波。同时发生谐振的危险才最小。此设定好的频率不能随意变化。

  3、 电容器耐压要求高：滤波用的电容器，不同谐波环境下串接不同电抗系数的电抗器，此时电容器两端的电压将提高10%～25%。普通电容器一般电压等级为400V根本无法使用或使用寿命大为缩短(电压超出电容器额定电压10%，电容器寿命将缩短一半)。专门用于谐波环境的滤波电容器耐压等级为460V～525V。

  4、 电容器损耗小，长期运行衰减小：滤波专用电容器采用氮气填充技术，环保、质量轻、功耗低(低于0.25W/kvar)、不燃烧、不助燃，安全性高。长期运行温升低，衰减小，使用年限长。

  5、 高线性度和高稳定性要求：滤波电容器容量稳定，电抗器的线性度好，流过基波加谐波的宽频谱电流而不会饱和——只有这样才能保证电流的变化、温度的变化、使用年限的增加不会对设定的频率产生影响。这一点相当关键，因为频率的改变意味着谐振的危险。普通补偿电容器对容量精度、容量稳定性均要求不高，用于补偿时即使容量发生变化，只是补偿效果不好，但是用于滤波时，容量不准确(尤其是容量变小)和不稳定不但严重影响滤波效果，还可能发生谐振导致不可避免的事故和损失。同样，线性度不高的电抗器，流过大电流的时候如果发生饱和现象，调谐频率会发生变化，后果同样危险。

  6、 工艺精度高：无源滤波系统要求采用的电抗器、电容器具备很高的精度，如果精度出现大的偏差，或者在流过大的电流、系统发热的情况下精度不能保持稳定，则要么滤波效果差，要么容易出现谐振。普通电容、电抗多为负偏差产品且偏差很大，组合出来的滤波产品很容易出现烧熔丝、烧接触器的情况。这些产品是无法用于滤波场合的。

  7、 安全性高：干式、自愈技术、压敏断路技术，确保电容安全可靠。电抗器内置温控保护，超温自保护。

  8、 补偿控制仪检测、投切准确可靠：补偿控制仪是整个滤波补偿系统的大脑。意曼科专业设计的功率因数补偿控制仪，使用FFT算法来计算有功和无功电流的基本谐波因子，因而即使在电流波形被高次谐波干扰而失真的情况下，控制仪也能保证测量和控制的高精度，并且通过FCP系统，使得ON/OFF操作次数最少。

  9、 配置方案合理：投切步长太小的话，投切效率低，还会增加开关投切次数，增加开关故障率;投切步长太大，容易形成投切冲击。根据变压器容量及设计补偿要求，结合多年实际经验，意曼科的配置方案既兼顾投切效率，又保证调节精度合理准确。

  10、 多年成熟的工程经验及售后服务：多年成熟的工程经验，可以避免很多问题的发生，遇到问题也能在第一时间得到解决。多年的经验总结，7X24小时电话咨询，质保期内如果因产品质量问题，免费质保。

  四、意曼科无源滤波补偿及AF40/50系列有源滤波器选型及应用方案

  一、无源滤波的选型比较简单，根据系统中的主要谐波源选择电抗器的电抗率。5次谐波为主的系统,可采用7%电抗率的话，电容器安装容量为变压器容量的40%。3次谐波为主的系统,采用14%电抗率，电容器安装容量为变压器容量的45%.对于工业用户，以三相负荷为主，多选择抑制5、7次谐波的7%电抗率的电抗器，电容器耐压480V(400V系统)。

  二、有源滤波器的使用一般有两种模式，其各自的选型一般按照以下原则：

  1、 配电室集中滤波模式

  对于谐波源设备比较分散、谐波含量超标的情形，或谐波源设备不具备有源滤波器现场安装条件的情况下，可以在配电室集中采用一台或多台有源滤波器，对系统内产生的谐波集中滤波，达到谐波治理的目标(参见接线图一)。此种情形下，虽能做到谐波电流含量达标，但由于滤波的针对性不强，谐波在系统内没有能够就地被及时滤除，谐波还会对其它设备产生干扰，滤波的效果没有针对谐波源设备就地滤波的效果好。

  这样的滤波方式，一般按照谐波源负载的总功率，计算出总的基波电流，按照基波电流的30%考虑谐波电流值。此谐波电流值即为有源滤波器选型的电流参考值。在此基础上，综合考虑设备的运行情况进行调整，比如设备不是同时投运，则以同时投运的最大负荷进行考虑。

总的谐波电流确定后，一般选择较大电流的有源滤波器。若一台容量不够，可以多台并联使用。集中滤波模式下一般采用三相四线制的有源滤波器。

  接线图一

  2、 大型谐波源设备就地滤波模式

  此种模式是指对于大功率谐波源设备和多台谐波源设备比较集中，单独进行就地滤波(参见接线图二)。就地滤波的优点是：谐波就近被滤除(或部分滤除，取决于设备选型)，不对系统及其它设备产生干扰(或干扰很小);滤波方式比较灵活，滤波效果最好。但此种方式可能受制于现场安装条件的影响。

  此种情形下，按照谐波源设备的功率，计算其基波电流，根据其谐波特性，按照基波电流的30%考虑谐波电流值。如6脉波变频设备，谐波电流值约为基波电流的30%左右，而12脉波设备，其总谐波电流约为基波电流的12%左右。在6脉波、12脉波设备混合使用的情况下，计算其谐波电流的方均根值。

  针对设备的滤波，谐波电流值可能和设备选型表中的电流值不一致。此时可以采取数值就近的原则选型。

就地滤波的示意图见接线图二。

  接线图二

  综上所述，随着电力电子设备越来越广泛地运用，有源滤波器正逐步在医院、机场、轨道交通、高端商业建筑、汽车制造、数据中心、垃圾发电等诸多项目中得到应用。其应用的原则，既要考虑谐波电流的大小，还要考虑系统安全性的要求及整体的造价和功率因数补偿的结合，同时需要考虑有源设备的安装条件。