無源濾波器與並聯電容器的應用

1.諧振

諧波與並聯電容器在低壓電網中並存時，*怕的就是引發串聯諧振與並聯諧振。

1.1串聯諧振

若諧波來自電源係統，則變壓器的電抗和低壓並聯電容器的電容在一定的參數下配合，就能引發串聯諧振，有數字實例，一台UK為6％的1000KVA變壓器，在低壓母線上接有160KVAR的並聯電容器，結果引發了11次諧波的諧振，使電容器中的11次諧波電流達175A，電容器中的基波電流隻有233A，總有效電流ICEFF為313A，過載1.35倍，已超過允許值1.30倍。負載母線上11次諧波電壓畸變係數達6.9％，也已超過允許值，而低壓電源（含變壓器阻抗ZT在內）母線上的畸變率隻有1.5％。

1.2並聯諧振

若諧波源來自低壓側的非線性負荷，例如變頻器，則變壓器的電抗（加上電源係統的少量電抗）和低壓側的電容可構成並聯諧振，文獻也有數字實例，低壓側接有300KVA的驅動裝置，其它如變壓器和電容器參數同，1.1節串聯諧振中的實例，結果引發11次諧波的並聯諧振，使電容器中11次諧波電流達到212A，已大於電容器中基波的90％，總有效電流達334A，過載1.45倍，也超過允許值1.30倍，其實負載的11次諧波電流才39A，又11次諧波電壓的畸變率已達8.3％，大大超過允許值。

2.避免諧振的措施

措施之一為改變網絡元件的電抗電容量值，然而，它的可能性不大，特彆當電容器組是自動控製的場合，將有許多諧振條件都要考慮。同時要注意，即使係統參數隻是接近諧振頻率也能使電容器組過電流和電壓畸變率超過標準。

*常用的方法是與電容器串聯一個電抗器，調諧的諧振頻率低於網絡中產生的*低次諧波的頻率，這樣，無論是串聯諧振還是並聯諧振就不會發生。

現代的工業和建築物電網中完全冇有諧波電壓和電流是不可能的，那麼是否凡並聯電容器都要串聯電抗器呢？那也不一定，如果需要串，電抗值取多少呢？下麵著重討論1000V以下低壓電網情況。

2.1並聯電容器組（不串電抗器）

當不存在諧振條件即電網的電抗值和並聯電容器的電容值所構成的諧振頻率比較高而負載產生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時，此時，不需要考慮降低諧波值，但是IEC標準並未給出劃分界線的具體數據。筆者認為，諧波次數≥17就可以不考慮，即諧振頻率≥17次諧波。15次諧波是3的整數倍，一般隻存在於單相220V的設備中，這樣隻考慮到了13次就可以了。什麼場合一定要串聯電抗，GB對此問題冇有提及，廠家在樣本中規定的條件為GN／SN<15％，GN為產生諧波設備的現在功率。SN為變壓器視在功率。筆者認為產生諧波的設備類型有幾種，發射諧波電流的大小也不同，還與一些外部條件的變動有關。因此，規定GN／SN<15％似乎並不明確說明什麼問題，還不如IEC標準的條件，至少概念上是明確的。

2.2失諧濾波器（DETUNEDFILTER）

按照文獻的定義，失諧濾波器是一種濾波器，它的調諧頻率比有相當大（CONSIDERABLE），電壓（電流）付值的*低次諧波頻率還要小過10％多。

以5次諧波為例，其頻率為250HZ，小過10％即為225HZ，因此失諧波濾波器中的電抗值與電容量之比應大於4％／0.81即>5％。

樣本的失諧濾波器調諧在215HZ上，它是250HZ的85％，符合文獻定義的要求，其相對電抗值為5.5％>5％。

2.3調諧濾波器（TUNEDFILTER）

按照文獻的定義調諧濾波器是一種濾波器，它的調諧頻率偏離於被過濾的頻率不得大於10％。因此對5次諧波而言，它的相對電抗值（或電抗率）X％應為4％<X％>5％。

2.4並聯電容器裝置設計規範的規定

該規範中5.5。2.2規定用於抑製諧波，當並聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次及以上時，電抗率宜取“4.5％～6％”。可見文獻並冇有區分失諧濾波器和調諧濾波器。其實，對補償用並聯電容器而言，調諧和失諧濾波器對基波都是容性電抗，都有無功補償能力，隻是大小程度不一樣，調諧濾波器的無功補償能力強。調諧或失諧的區分，是對指定的諧波次數進行濾波而言的。兩者都有濾波器（抑製諧波）的能力，隻是調諧濾波器的濾波能力更加強。

對於GB這一條的術語“抑製諧波”似乎應是調諧濾波器，因而電抗率取4.5％～6％，IEC的要求為4％

3.以上3種裝置應用中的注意點

並聯電容器、失諧濾波器、調諧濾波器這三種裝置在應用中的注意點如下。

3.1並聯電容器

通常對一台配電變壓器而言，並聯電容器可以分散多級配置，已經安裝好投入運行後，如果情況變化再來考慮避免諧振的問題，就會非常困難，即使隻在一處裝有補償並聯電容器，也不能串聯電抗器就完事，因這將使電容器過流和過電壓。因此在確定選用那種裝置時，不但要分析網絡當前的諧波情況，還要考慮到將來情況的化。

3.2失諧濾波器

如上所述，它不能利用已運行的並聯電容器串聯電抗器來構成，通常它也不能和並聯電容器或／和調諧濾波器混裝在一起並聯運行，因為在它們之間的諧波負載的分配不大可能剛好和它們的定額參數相匹配，結果將造成部分裝置的過載。

3.3調諧濾波器

通常，濾波器調諧的頻率隻考慮奇數次特征頻率，不考慮3的估算次，即隻考慮5，7，11，13，17，19等次數，但是當有接於線間或線一中線間的單相負載時，就要考慮3及3的倍數次諧波。在分合操作時，全部濾波器單元應同時進行，假定要求分開單獨操作，在合閘時，先合5次，再7、11次等按上升規律進行，分閘時，則將順序倒過來，即先分斷*高次的。

同一調諧頻率的濾波器的並聯運行可能會帶來兩個問題：

（1）由於參數的偏差，不可能有完全相同的諧波阻抗，致使有的可能過載；

（2）有可能在彼此間引發並聯諧振

在這種場合將運行中的彼此間的中間點（即電抗器和電容器的連接點）用附加的觸點連接起來是有利的辦法。

4.相對電抗值的大小決定了是哪類濾波器

對5次諧波而言，**準確諧振時的相對電抗值是4％，按IEC標準的規定，X％>5％是失諧濾波器。

4.1為何對4％一定要有一些偏離

這是考慮部件電容值和電抗值在製造中的容差，受溫度和老化的影響，受電流變化的影響，而且電網的基波頻率也可能略有變化。

4.2這麼小的偏離值是否太嚴格

偏離4％愈小，濾波效率愈高，當然是好事，但對電抗器的設計製造提出了嚴格要求。IEC的要求：電抗值製造容差為±3％對大多數濾波器應用是可以接受的。當負載電流從額定值到*大值時，電抗值的變化不能<5％。通常低壓濾波器電抗器帶鐵心，正常運行中的任何情況下鐵心都不應飽和（變成非線性）和發生鐵磁諧振，IEC冇有對電容器電容值的容差提出要求，電容值的容差按自愈式低壓電容器中的產品標準，對<100KVAR為－5％到＋15％。對>100KVAR為0％到＋10％，因此電容值偏差也是不能忽略的，要整體考慮電抗值和電容值的製造容差，因此實際產品的X％取值靠近5％，也是完全可行的，GB取值4.5％<X％<6％在設計製造上相對較易，但濾波器效率要差。

5.失諧與調諧還有那些不同？

工業與建築電網中有一定量的諧波時，工程設計是選擇失諧濾波器還是調諧濾波器？以5次諧波為例，這兩者的區彆若以相對電抗作為分界線，在這一點是差彆不大的，但是在下列各點上都有不小的差彆。

5.1功能上的不一樣

調諧濾波器的相對電抗為4％<X％<5％，愈接近4％濾波效果愈好，因此其功能主要是濾波，附帶有無功補償功能。失諧濾波器的相對電抗X％>5％，也有濾波功能和無功補償功能，但X％愈大，這兩項功能的效果就愈降低，其主要功能目標是無功補償。

5.2部件的定額選擇不同

調諧濾波器的電流要考慮通過的諧波電流和基波電流（無功），設計時要確定諧波電流，（確定X％後，就都可算出）。失諧濾波器設計時要先確定補償無功的功率，確定X％後，即可計算出諧波電流，至於電抗和電容分彆承受的電壓計算方法對兩種濾波器都一樣，不過失諧濾波器中的電容器承受的電壓比電網額定電壓要更高一些。

5.3對部件的性能參數的要求不同

調諧濾波的X％限製在4％和5％之間，隻有1％的區間，由於要考慮溫度和負載的變化等對X％產生的不利影響。因而對部件的設計製造或選擇都提出了嚴格的要求，如上麵4.2節介紹的那樣，而失諧濾波器的X％限製為>5％，自由空間較大，X％比5％大得多一點，如6％或7％或更大，也不會出現嚴重問題。諧調濾波器則不同，一旦實際的X％小於4％，就有與電源電抗或其它濾波器發生諧振的可能，其**後果要嚴重得多。

5.4價格上的可能不同

由於調諧濾波器對部件的性能參數的容差和穩定性要求嚴格，和失諧濾波器相比，在承載定額相同的條件下，前者的價格會高些，後者由於容抗和感抗要多抵消一些，對價格也有一些升高，但估計對價格不會有大的影響。

6選調諧還是失諧，或純並聯電容器

6.1並聯電容器

如前麵2.1節所述，當不存在諧振條件即電網的電抗值和並聯電容器的電容值形成的諧振頻率比較高（例≥17次）而負載產生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時，則選用純並聯電容器。

6.2調諧還是失諧？

前已說明，兩種濾波器均有串聯電抗器，均能避免諧振，均能補償無功，也均能補償諧波，隻是調諧比失諧濾波器同時對二者的補償能力要高。如果現在電網的諧波電壓已經超標，毫無疑問要選用調諧濾波器，如果現在電網的諧波電壓比標準的容許值低，而現在可以預計到將來有諧波源負載增加，超標的可能性極大，寧肯現在就裝上調諧濾波器，將來加裝規格性能相同的調諧濾波器也容易些，它們的並聯運行使過濾的諧波電流也易於實現均勻分配，如果不考慮發展，隻顧目前裝設失諧濾波器，一旦諧波負荷增加，就要改裝為調諧濾波器，但改造起來是費事的。現代由於生產工藝和節約電能，都有可能將異步機改造成變頻調速，已有一些工礦企業諧波負荷逐年增長，致使原有的並聯電容器由於諧振不得不退出運行，也不得不承受低功率因數罰款，此外諧波電壓還使係統運行變得困難。

要注意，無論失諧或調諧濾波器都有無功補償能力，工程設計時要事先考慮到，無功補償可能會形成過電壓。

7.選型的再深入討論

德國賽通電氣公司在產品介紹中刊載了選型指南，這是筆者所見出現在國內產品樣本中關於選型指南*為詳細且有定量指標的一種，若將它和IEC標準相對照，看看有些什麼不同？對我們有何啟發？因為這個選型問題是工程設計者*關心的問題之一。

7.1三類裝置名稱不一

這不是大問題，筆者建議國內統一按IEC標準來稱呼：

7.2賽通公司的區分指標

上述組指標是用來區彆選並聯電容器還是選失諧濾波器，**組指標則是用來區彆選失諧濾波器還是調諧濾波器，表1中的V3、V5、V7分彆為3次、5次、7次諧波電壓有效值對基波的相對值，THV即THD為總諧波畸變率。如果電網的諧波超過表1中的組指標，則應選用失諧濾波器。其中，如果V3>0.5％，則失諧濾波器的相對電抗率應>1.1×9％＝13.5％，賽通公司選為14％是合適的，如果V5>2％，則相對電抗率應>1.1×4％＝4.84％，賽通公司定為5.67％也是合適的，這種5.67％相對電抗率的場合下，V3一定不能大於0.5％，否則相對電抗值就應選定為14％。

7.3對組指標的討論

IEC標準對並聯電容器的使用條件限製，前麵已有討論，即不需要考慮避免諧振，也不需要降低諧波，因為並聯電容器串聯電抗，就可以同時達到避免諧振和降低諧波這兩個目的（當然，設置並聯電容器是為了無功補償）。

避免諧振有兩層含義，即：

係統參數的自然諧振頻率不在低次諧波區；

即使在低次諧波區，但電網的低次諧波電壓值很低，其能量不足以維持諧振。

（1）係統的自然諧振頻率，如果諧波來自中壓，則是變壓器電抗和電容器容量構成串聯諧振。如果諧波來自低壓側，則是並聯諧振，其諧振頻率的近似值均可用下式表示：

式中：F1—基波頻率；

XC1—基波下的電容器容抗；

XT1—變壓器短路阻抗。

要注意，並聯電容器如果有多組可以投切時，則XC1相應於各組的值都要考慮，按照上式近似值，就可以判斷自然諧振頻率在什麼區段。

（2）在低次的諧波段內，由於電網產生的諧波電壓值很低，即使自然諧振頻率在此段內也不能諧振，這個很低的諧波電壓值（IEC標準用詞很低VERYLOW），如果加以定量的話是否就是表2中賽通公司推薦的組指標呢？低壓電網結構比較簡單，XC1和XT1構成了低壓網絡容抗和電抗的絕大部分，並聯電容器即使可能分散布置也不難將其等效合成，通常架空網絡幾乎冇有，電纜網絡的電容與並聯電容器相比也不可計。因此，似乎理應可以提出定量指標，但很難用理論計算多少諧波能足以維持諧振（和諧振回路的電阻相對值大小也有很大有關係），目前，似乎依靠的是實踐的經驗，賽通電氣公司的數據也許是經驗總結，而IEC標準是否認為提出數據尚缺乏足夠的實踐經驗，或有其它考慮，這就不得而知了！

（3）如果根據公式（1）計算出的電網參數自然諧振頻率不在低次諧波段，即使不串電抗器，其諧波電壓值可以高多少？是否按允許的諧波電壓這一因數來決定，如果需要降低諧波電壓，則仍然要串聯電抗器。

（4）不串電抗器，有諧波是否會使並聯電容器過流過電壓超過允許值？

串了電抗器，反而會使電容器的電壓超過電網電壓，電流也會增加，因此要正確選擇並聯電容器的定額參數。

常用的低壓自愈式電容器，考慮到工頻過電壓、諧波諸因數的影響，產品標準允許有1.3倍的長期過電流。因此，有諧波但不串電抗如果不諧振並不一定使並聯電容器過流和過壓，有諧振才是*大*主要的危險。

7.4對**組指標的討論

使用**組指標是用來確定什麼場合需要裝設濾波器。按照IEC的規定，上述兼容水平值適用於公用電網和工廠第2類電網，工廠第1類電網的要求要嚴格，第3類電網則寬鬆，即允許的諧波電壓還可高一些。電網的諧波水平如果超過上述兼容值，*後一個措施就是安裝調諧濾波器（或有源濾波器）。比較表3的兩組數據，對V5和V7而言，賽通的指標低了1％，這不難理解，應是為了減少風險，但V3為何卻相差如此懸殊（10倍）

總之，IEC既然公布了電網的諧波兼容性水平，區分選擇失諧濾波器和調諧濾波器的條件應該是明確的。

還有一個問題，為什麼電網的諧波水平嚴重到按接表3所示數據時才考慮用調諧濾波器，是調諧濾波器比失諧濾波器價格高出很多？還是出於技術上的原因？如果是後者，選用失諧濾波器**的突出優點是今後再發生諧振的可能性較小，因其X％值較大，而且X％隻有一個規格。

8.無源濾波器的型式

通常考慮濾波器為1階2階和3階（見圖1～圖5），根據技術或經濟原因可以考慮有阻尼的電路。若選用阻尼濾波器，就要評算損耗，濾波器調諧頻率*常見為5，7，11，13，17，19，23，25。

如果要確保允許的諧波水平，就要考慮電容器和電抗器的製造容差。對濾波器不是通常都可能同時保持電壓水平和功率因數在規定的極限值內。

無論低壓或中壓，圖2的帶通濾波器是*常用的，其它類型的濾波器的應用情況。

9.再議濾波器的外特性參數

筆者在第8節已討論這個問題，這裡再深入展開討論。

由於濾波器（包括調諧和失諧二大類）目前尚無IEC和GB的產品標準，製造廠在產品樣本中向用戶提出的技術參數很少。這使得本來略顯複雜的諧波抑製技術，更變得模糊不清，不但電氣設計人員避而遠之，不知如何選擇應用，也使得產品銷售人員不易講透徹產品的用途和應用範圍，實有礙於濾波器的普及使用。另一方麵，由於電力電子技術的廣泛應用，諧波問題又日益增多。

另一個問題是，製造廠即使公布了濾波器的必要技術參數，經過一定的工程設計程序，用戶是否可以從市場買來濾波器商品像配電櫃一樣安裝使用呢？

筆者認為至少在低壓網絡上使用單調諧濾波器的場合有這種可能性，不管怎樣，有了濾波器的必要參數，也能使濾波器的性能透明化，技術參數明朗化，便於用戶對濾波器作性能價格比，雖然目前IEC尚無產品標準，相信有朝一日總會有的，製造廠家現在就公布必要的經過試驗驗證的性能參數，相信可以獲得用戶的好評和信賴。

單台單調諧低壓濾波器的基本的必要電氣參數，對用戶的使用值以及對其評述介紹如下。

9.1額定電壓、過電壓能力及持續時間

筆者所見中外幾家產品樣本中，隻有一家載有過電壓能力及持續時間的指標，其實這是必要的，特彆在某些特殊場合，三相供電電壓允許偏差超過標準還是有可能的，有些廠家公布了所選電容器的額定電壓，還不如同時公布濾波器的整體參數來得實用。

9.2額定無功補償功率（KVAR）

所有廠家都公布了這個功率，這有必要，如果忽略了它，一旦出現了過補償，造成母線電壓升高，會危及電氣裝置及設備的**運行。

9.3允許諧波電流

筆者所見隻有一個廠家公布了這個參數，約等於額定基波電流（在補償功率為30KVAR時，允許諧波電流為43A），其實這個參數非常必要。因為濾波器在通過基波電流的同時，還會通過諧波電流（絕大部分是調諧的諧波電流），二者的合成有效值是濾波器的主要熱量來源因素。

（當I1≈IH時）明確了這個允許諧波電流，也就宣告了產品（即包括構成濾波器的電感，電容器的連接導體）的承受全部電流的能力，也決定了廠家對電抗器和連接導體截麵的選擇和電容器的選擇。

9.4單調諧濾波器的諧波阻抗值ZH

濾波器安置在電網中時，單台濾波器可能吸收多少諧波電流，決定於濾波器的諧波阻抗和電源係統（主要考慮配電變壓器的漏抗以及當諧波源在低壓網中時）的比較。對諧波源來說，這兩個阻抗是並聯的，濾波器的諧波阻抗愈低，送往電源係統的諧波電流愈少，濾波效率也就愈高。如果全部諧波電流中有70％通過濾波器，可以說濾波效率為70％。目前，一些製造廠隻說自己產品的濾波效率的範圍或平均值，因為濾波效率和變壓器的阻抗（即和功率大小）有關，因此濾波效率是一個不確定的參數。諧波的阻抗則是一個非常有用的確定值，知道了它，就可以計算出一個工程的較準確的濾波效率，連同濾波器的允許諧波電流，*終可以選定濾波器的定額（單台或多台並聯），並且可以核算經濾波治理以後，該次諧波電壓是否已降至標準允許值之內，但是到目前為止，尚冇有一個廠商公布其單調諧波濾波器的阻抗值。雖然也可以從某些樣本中的其它參數推出ZH，總不如直接給出來得明快。

9.5電抗率

IEC標準中也有叫相對電抗；

知道了它，就知道了濾波器的調諧頻率。若忽略電阻，則濾波器的諧波阻抗

可見這兩者有密切聯係。按IEC要求，調諧5次的濾波器的P為4％《P《5％，一個產品，對濾波5次而言，其P值愈接近4％（但必須大於4％），其5次諧波阻抗愈小，濾波及無功補償效果愈好，但做到P值接近4％且》4％是不容易的，要考慮到電感值和電容值的設計製造容差，隨溫度和使用期長短的變化，筆者所見，隻有一家的產品的P＝5％，所見產品樣本中，這是*小的了。

5次單調諧濾波器的相對電抗P＝5％對於我國電網的運行是否**，是否有必要還要提高到6％？冇有必要，因為我國電網頻率允許偏差即使在電網容量小時也隻允許為±0.5HZ即±1％，由於非3的倍數的奇數次諧波是特征諧波，因此可見電網頻率的變化並不是大問題。至於產品參數的容差，隨電流、溫度和時間老化的穩定性等，那是製造廠是否加以控製和保證的問題，廠家樣本宣布相對電抗P＝5％，那就是在任何條件下任何時候都會≤5％和》4％的，或者加注上容差也是可以的。總之，調諧濾波器至少需要上述5個參數：

（1）額定電壓，過電壓能力是持續時間；

（2）額定無功補償功率；

（3）允許諧波電流；

（4）單調諧諧波電抗值；

（5）電抗率。

失諧濾波器的要求則可以簡化些。上麵的要求也適用用於中壓單調諧波濾波器。

這些參數隻是必要的基本電氣參數，還有其它參數，例如允許環境條件等等參數用戶也都是必要的。但是，有了這5項必要的基本的電氣參數，就可以使得濾波器的電氣特性明朗清晰，方便於進一步應用。

10.無源濾波器兩種能力的協調

10.1實際情況的多樣化

無論濾波器是失諧的還是調諧的，都有兼有濾波和無功補償兩種功能，一旦單調濾波器成為產品，可能還很難適應各種不同工程項目中的不同諧波治理要求和不同無功功率補償要求，企業的這種複雜情況表現如下：

（1）在無功方麵：可能是穩定的，但有大小之分，即自然功率因數COSφ不同，無功也可能不穩定，不穩定的範圍有大有小，變動的速度有快有慢。交－直－交變頻器本身的諧波大，但無功小，要注意。

（2）在諧波方麵：除了有大小、是否穩定和變動快慢之彆外，還有諧波次數之分，如3次、5次、7次、11次、13次等等，對不同企業各次諧波都有自己的大小和變動的特點。

總之，嚴重情況下大參數有諧波與無功兩大類，諧波次數至少有4～5種之多，若將大小考慮進去並進行排列組合，則濾波器的規格品種選擇就複雜化了。

10.2應對策略

為了減少規格品種數量，向產品標準化方向邁進，在產品生產和工程設計應用方麵，宜采取下列措施：

（1）在功能目標方麵，一般來說優先保證無功補償，以滿足電力係統要求，但絕不要過補償，在諧波方麵，儘量降低各次諧波電壓水平直到不會成為引發諧振的因素。要注意，不同的工業電網可以有不同的諧波兼容性水平（IEC標準分為三類），公用電網可與電力部門協商，因此諧波降到什麼水平，有一定的變動空間。對諧波兼容水平要求特彆嚴格的場合則可選用有源濾波器；

（2）產品功率單元化，這一點似乎大多數產品已如此。例如以30KVAR為單元，多個單元並聯，通過切換可以有不同的功率變化；

（3）產品功率單元切換的智能化，在保證不過補償但儘量提高功率因數前提下，合理有序的投切各次諧波濾波器的整體或部分單元。以降低各次諧波電壓值。

10.3工程設計中無源濾波器選擇配合程序大綱

（1）在一台配電變壓器的低壓側，事先計算出無功功率*大變動範圍，按*大無功負荷配置無源濾波器的總功率（基波補償功率）；

（2）估算出低壓側各次諧波的可能*大諧波電流；

（3）按各次諧波電流大小，確定電容器是否需要串聯電抗器，這裡的關鍵是如何區分選擇？是否可以這樣考慮：各次諧波電流乘上變壓器的諧波阻抗得出的諧波電壓超出標準值的80％或現在未超但不久即可能超過的，優先采用調諧濾波器；

（4）將無功功率也按各次諧波電流相對大小分配在各次的單調諧濾波器上，然後複核濾波器的諧波電流是否會過負荷，濾波後的諧波電壓降低是否滿意，總體上一般以無功不過補，諧波可放鬆些為原則。即使如此，還可能需要反複多次，有計算機程序可以快捷得到結果；

（5）運行中，如果無功負荷降低，根據情況應切除部分濾波器單元，利用智能控製器來完成控製任務。