无源滤波器与并联电容器的应用

1  谐振[1][2]
    谐波与并联电容器在低压电网中并存时，最怕的就是引发串联谐振与并联谐振。
1.1 串联谐振
    若谐波来自电源系统，则变压器的电抗和低压并联电容器的电容在一定的参数下配合，就能引发串联谐振，文献[1]有数字实例，一台Uk为6%的1000kVA变压器，在低压母线上接有160kVar的并联电容器，结果引发了11次谐波的谐振，使电容器中的11次谐波电流达175A，电容器中的基波电流只有233A，总有效电流Iceff为313A，过载1.35倍，已超过允许值1.30倍。负载母线上11次谐波电压畸变系数达6.9%，也已超过允许值，而低压电源(含变压器阻抗ZT在内)母线上的畸变率只有1.5%。
1.2 并联谐振
    若谐波源来自低压侧的非线性负荷，例如变频器，则变压器的电抗(加上电源系统的少量电抗)和低压侧的电容可构成并联谐振，文献[1]也有数字实例，低压侧接有300kvA的驱动装置，其它如变压器和电容器参数同，1.1节串联谐振中的实例，结果引发11次谐波的并联谐振，使电容器中11次谐波电流达到212A，已大于电容器中基波的90%，总有效电流达334A，过载1.45倍，也超过允许值1.30倍，其实负载的11次谐波电流才39A，又11次谐波电压的畸变率已达8.3%，大大超过允许值。

2  避免谐振的措施
    措施之一为改变网络元件的电抗电容量值，然而，它的可能性不大，特别当电容器组是自动控制的场合，将有许多谐振条件都要考虑。同时要注意，即使系统参数只是接近谐振频率也能使电容器组过电流和电压畸变率超过标准。
    最常用的方法是与电容器串联一个电抗器，调谐的谐振频率低于网络中产生的最低次谐波的频率，这样，无论是串联谐振还是并联谐振就不会发生。
现代的工业和建筑物电网中完全没有谐波电压和电流是不可能的，那么是否凡并联电容器都要串电抗器呢？那也不一定，如果需要串，电抗值取多少呢？下面着重讨论1000V以下低压电网情况。
2.1 并联电容器组(不串电抗器)[1]
    当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值所构成的谐振频率比较高而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时，此时，不需要考虑降低谐波值，但是IEC标准[1]并未给出划分界线的具体数据。笔者认为，谐波次数≥17就可以不考虑，即谐振频率≥17次谐波。15次谐波是3的整数倍，一般只存在于单相220V的设备中，这样只考虑到了13次就可以了。什么场合一定要串联电抗，GB[3]对此问题没有提及，厂家[4]在样本中规定的条件为GN/SN＜15%，GN为产生谐波设备的现在功率。SN为变压器视在功率。笔者认为产生谐波的设备类型有几种，发射谐波电流的大小也不同，还与一些外部条件的变动有关。因此，规定 GN/SN＜15%似乎并不明确说明什么问题，还不如IEC标准[1]的条件，至少概念上是明确的。
2.2 失谐滤波器(detuned filter)
    按照文献[1]的定义，失谐滤波器是一种滤波器，它的调谐频率比有相当大(considerable)，电压(电流)副值的最低次谐波频率还要小过10%多。
    以5次谐波为例，其频率为250Hz，小过10%即为225Hz，因此失谐滤波器中的电抗值与电容量之比应大于4%/0.81即＞5%。
    样本[4]的失谐滤波器调谐在215Hz上，它是250Hz的85%，符合文献[1]定义的要求，其相对电抗值为5.5%＞5%。
2.3 调谐滤波器(tuned filter)
    按照文献[1]的定义调谐滤波器是一种滤波器，它的调谐频率偏离于被过滤的频率不得大于10%。因此对5次谐波而言，它的相对电抗值(或电抗率)X%应为4%＜X%＜5%。
2.4 并联电容器装置设计规范的规定[3]
    该规范中5.5.2.2规定“用于抑制谐波，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，电抗率宜取“4.5%~6%”。可见文献[3]并没有区分失谐滤波器和调谐滤波器。其实，对补偿用并联电容器而言，调谐和失谐滤波器对基波都是容性电抗，都有无功补偿能力，只是大小程度不一样，调谐滤波器的无功补偿能力强。调谐或失谐的区分，是对指定的谐波次数进行滤波而言的。两者都有滤波器(抑制谐波)的能力，只是调谐滤波器的滤波能力更加强。
对于GB这一条的术语“抑制谐波”似乎应是调谐滤波器，因而电抗率取4.5%~6%，IEC的要求为4%<X%<5%。

3  以上3种装置应用中的注意点
    并联电容器、失谐滤波器、调谐滤波器这三种装置在应用中的注意点如下。
3.1 并联电容器
    通常对一台配电变压器而言，并联电容器可以分散多级配置，已经安装好投入运行后，如果情况变化再来考虑避免谐振的问题，就会非常困难，即使只在一处装有补偿并联电容器，也不能串联电抗器就完事，因这将使电容器过流和过电压。因此在确定选用那种装置时，不但要分析网络当前的谐波情况，还要考虑到将来情况的变化。
3.2 失谐滤波器
    如上所述，它不能利用已运行的并联电容器串联电抗器来构成，通常它也不能和并联电容器或/和调谐滤波器混装在一起并联运行，因为在它们之间的谐波负载的分配不大可能刚好和它们的定额参数相匹配，结果将造成部分装置的过载。
3.3 调谐滤波器
    通常，滤波器调谐的频率只考虑奇数次特征频率，不考虑3的估算次，即只考虑5，7，11，13，17，19等次数，但是当有接于线间或线一中线间的单相负载时，就要考虑3及3的倍数次谐波。在分合操作时，全部滤波器单元应同时进行，假定要求分开单独操作，在合闸时，先合5次，再7、11次等按上升规律进行，分闸时，则将顺序倒过来，即先分断最高次的。
    同一调谐频率的滤波器的并联运行可能会带来两个问题:
    (1) 由于参数的偏差，不可能有完全相同的谐波阻抗，致使有的可能过载;
    (2) 有可能在彼此间引发并联谐振
    在这种场合将运行中的彼此间的中间点(即电抗器和电容器的连接点)用附加的触点连接起来是有利的办法。

4  相对电抗值的大小决定了是哪类滤波器
    对5次谐波而言，绝对准确谐振时的相对电抗值是4%，按IEC标准[1]的规定，X%＞5%是失谐滤波器。4％<X％<5％是调谐滤波器。
4.1 为何对4%一定要有一些偏离
    这是考虑部件电容值和电抗值在制造中的容差，受温度和老化的影响，受电流变化的影响，而且电网的基波频率也可能略有变化。
4.2 这么小的偏离值是否太严格
    偏离4%愈小，滤波效率愈高，当然是好事，但对电抗器的设计制造提出了严格要求。IEC[1]的要求:电抗值制造容差为±3%对大多数滤波器应用是可以接受的。当负载电流从额定值到最大值时，电抗值的变化不能＜5%。通常低压滤波器电抗器带铁心，正常运行中的任何情况下铁心都不应饱和(变成非线性)和发生铁磁谐振，IEC[1]没有对电容器电容值的容差提出要求，电容值的容差按自愈式低压电容器中的产品标准[8]，对＜100kVar为-5%到+15%。对>100kVar为0%到+10%，因此电容值偏差也是不能忽略的，要整体考虑电抗值和电容值的制造容差，因此实际产品的X%取值靠近5%，也是完全可行的，GB[3]取值4.5%＜X%＜6%在设计制造上相对较易，但滤波器效率要差。

5  失谐与调谐还有那些不同？
    工业与建筑电网中有一定量的谐波时，工程设计是选择失谐滤波器还是调谐滤波器？以5次谐波为例，这两者的区别若以相对电抗作为分界线，在这一点是差别不大的，但是在下列各点上都有不小的差别。
5.1功能上的不一样
    调谐滤波器的相对电抗为4%＜X%＜5%，愈接近4%滤波效果愈好，因此其功能主要是滤波，附带有无功补偿功能。失谐滤波器的相对电抗X%＞5%，也有滤波功能和无功补偿功能，但X%愈大，这两项功能的效果就愈降低，其主要功能目标是无功补偿。
5.2部件的定额选择不同
    调谐滤波器的电流要考虑通过的谐波电流和基波电流(无功)，设计时要确定谐波电流，(确定X%后，就都可算出)。失谐滤波器设计时要先确定补偿无功的功率，确定X%后，即可计算出谐波电流，至于电抗和电容分别承受的电压计算方法对两种滤波器都一样，不过失谐滤波器中的电容器承受的电压比电网额定电压要更高一些。
5.3 对部件的性能参数的要求不同
    调谐滤波的X%限制在4%和5%之间，只有1%的的区间，由于要考虑温度和负载的变化等对X%产生的不利影响。因而对部件的设计制造或选择都提出了严格的要求，如上面4.2节介绍的那样，而失谐滤波器的X%限制为＞5%，自由空间较大，X%比5%大得多一点，如6%或7%或更大，也不会出现严重问题。谐调滤波器则不同，一旦实际的X%小于4%，就有与电源电抗或其它滤波器发生谐振的可能，其不良后果要严重得多。
5.4 价格上的可能不同
    由于调谐滤波器对部件的性能参数的容差和稳定性要求严格，和失谐滤波器相比，在承载定额相同的条件下，前者的价格会高些，后者由于容抗和感抗要多抵消一些，对价格也有一些升高，但估计对价格不会有大的影响。

6  选调谐还是失谐，或纯并联电容器
6.1 并联电容器  
    如前面2.1节所述，当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值形成的谐振频率比较高(例≥17次)而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时，则选用纯并联电容器[1]。
6.2 调谐还是失谐？
    前已说明，两种滤波器均串有电抗器，均能避免谐振，均能补偿无功，也均能补偿谐波，只是调谐比失谐滤波器同时对二者的补偿能力要高。如果现在电网的谐波电压已经超标，毫无疑问要选用调谐滤波器，如果现在电网的谐波电压比标准的容许值低，而现在可以予计到将来有谐波源负载增加，超标的可能性极大，宁肯现在就装上调谐滤波器，将来加装规格性能相同的调谐滤波器也容易些，它们的并联运行使过滤的谐波电流也易于实现均匀分配，如果不考虑发展，只顾目前装设失谐滤波器，一旦谐波负荷增加，就要改装为调谐滤波器，但改造起来是费事的。现代由于生产工艺和节约电能，都有可能将异步机改造成变频调速，已有一些工矿企业谐波负荷逐年增长，致使原有的并联电容器由于谐振不得不退出运行，也不得不承受低功率因数罚款，此外谐波电压还使系统运行变得困难。
    要注意，无论失谐或调谐滤波器都有无功补偿能力，工程设计时要事先考虑到，无功补偿可能会形成过电压。

7  选型的再深入讨论
    德国赛通电气公司在产品介绍中刊载了选型指南[5]，这是笔者所见出现在国内产品样本中关于选型指南最为详细且有定量指标的一种，若将它和IEC标准[1]相对照，看看有些什么不同？对我们有何启发？因为这个选型问题是工程设计者最关心的问题之一。
7.1 三类装置  名称不一
    这不是大问题，笔者建议国内统一按IEC标准来称呼:

7.2 赛通公司的区分指标
    若将文献[5]中的信息汇总，可制成表2。
    上述第一组指标是用来区别选并联电容器还是选失谐滤波器，第二组指标则是用来区别选失谐滤波器还是调谐滤波器，表1中的V3、V5、V7分别为3次、5次、7次谐波电压有效值对基波的相对值，THV即THD为总谐波畸变率。如果电网的谐波超过表1中的第一组指标，则应选用失谐滤波器。其中，如果V3＞0.5%，则失谐滤波器的相对电抗率应＞1.1×9%=13.5%，赛通公司选为14%是合适的，如果V5＞2%，则相对电抗率应＞1.1×4%=4.84%，赛通公司定为5.67%也是合适的，这种5.67%相对电抗率的场合下，V3一定不能大于0.5%，否则相对电抗值就应选定为14%。

7.3 对第一组指标的讨论
    IEC标准[1]对并联电容器的使用条件限制,前面已有讨论,即不需要考虑避免谐振,也不需要降低谐波,因为并联电容器串联电抗,就可以同时达到避免谐振和降低谐波这两个目的(当然,设置并联电容器是为了无功补偿)。
    避免谐振有两层含义，即:
    系统参数的自然谐振频率不在低次谐波区;
    即使在低次谐波区，但电网的低次谐波电压值很低，其能量不足以维持谐振。
    (1) 系统的自然谐振频率，如果谐波来自中压，则是变压器电抗和电容器容量构成串联谐振。如果谐波来自低压侧，则是并联谐振，其谐振频率的近似值均可用下式表示:

       (1)

式中: f1—基波频率;
       XC1—基波下的电容器容抗;
       XT1—变压器短路阻抗。
    要注意，并联电容器如果有多组可以投切时，则XC1相应于各组的值都要考虑，按照上式近似值，就可以判断自然谐振频率在什么区段。
      (2) 在低次的谐波段内，由于电网产生的谐波电压值很低，即使自然谐振频率在此段内也不能谐振，这个很低的谐波电压值(IEC标准[1]用词很低very low)，如果加以定量的话是否就是表2中赛通公司推荐的第一组指标呢？低压电网结构比较简单，XC1和XT1构成了低压网络容抗和电抗的绝大部分，并联电容器即使可能分散布置也不难将其等效合成，通常架空网络几乎没有，电缆网络的电容与并联电容器相比也不可计。因此，似乎理应可以提出定量指标，但很难用理论计算多少谐波能足以维持谐振(和谐振回路的电阻相对值大小也有很大有关系)，目前，似乎依靠的是实践的经验，赛通电气公司的数据也许是经验总结，而IEC标准是否认为提出数据尚缺乏足够的实践经验，或有其它考虑，这就不得而知了！
      (3) 如果根据公式(1)计算出的电网参数自然谐振频率不在低次谐波段，即使不串电抗器，其谐波电压值可以高多少？是否按允许的谐波电压这一因数来决定，如果需要降低谐波电压，则仍然要串电抗器。
     (4) 不串电抗器，有谐波是否会使并联电容器过流过电压超过允许值？
    串了电抗器，反而会使电容器的电压超过电网电压，电流也会增加，因此要正确选择并联电容器的定额参数。
    常用的低压自愈式电容器，考虑到工频过电压、谐波诸因数的影响，产品标准[8]允许有1.3倍的长期过电流。因此，有谐波但不串电抗如果不谐振并不一定使并联电容器过流和过压，有谐振才是最大最主要的危险。
7.4  对第二组指标的讨论
    使用第二组指标是用来确定什么场合需要装设滤波器。IEC标准[6]有规定，文献[7]有介绍，现摘录如下并和赛通第二组数据作比较，如表3所示。

    按照IEC的规定，上述兼容水平值适用于公用电网和工厂第2类电网，工厂第1类电网的要求要严格，第3类电网则宽松，即允许的谐波电压还可高一些。电网的谐波水平如果超过上述兼容值，最后一个措施就是安装调谐滤波器(或有源滤波器)。比较表3的两组数据，对V5和V7而言，赛通的指标低了1%，这不难理解，应是为了减少风险，但V3为何却相差如此悬殊(10倍)？

    总之，IEC既然公布了电网的谐波兼容性水平，区分选择失谐滤波器和调谐滤波器的条件应该是明确的。

    还有一个问题，为什么电网的谐波水平严重到按接表3所示数据时才考虑用调谐滤波器，是调谐滤波器比失谐滤波器价格高出很多？还是出于技术上的原因？如果是后者，选用失谐滤波器唯一的突出优点是今后再发生谐振的可能性较小，因其X%值较大，而且X%只有一个规格。

8  无源滤波器的型式
    通常考虑滤波器为1阶2阶和3阶(见图1~图5)，根据技术或经济原因可以考虑有阻尼的电路。若选用阻尼滤波器，就要评算损耗，滤波器调谐频率最常见为5，7，11，13，17，19，23，25。

  图1   1阶滤波器      图2   2阶(带通)滤波器      图3   2阶(用电阻阻尼)滤波器

     图4   3阶(阻尼)滤波器      图5   3阶(C型)滤波器

    如果要确保允许的谐波水平，就要考虑电容器和电抗器的制造容差。对滤波器不是通常都可能同时保持电压水平和功率因数在规定的极限值内。
    无论低压或中压，图2的带通滤波器是最常用的，其它类型的滤波器的应用情况见文献[2]。

9  再议滤波器的外特性参数
    笔者在文献[9]第8节已讨论这个问题，这里再深入展开讨论。
    由于滤波器(包括调谐和失谐二大类)目前尚无IEC和GB的产品标准，制造厂在产品样本中向用户提出的技术参数很少。这使得本来略显复杂的谐波抑制技术，更变得模糊不清，不但电气设计人员避而远之，不知如何选择应用，也使得产品销售人员不易讲透彻产品的用途和应用范围，实有碍于滤波器的普及使用。另一方面，由于电力电子技术的广泛应用，谐波问题又日益增多。
另一个问题是，制造厂即使公布了滤波器的必要技术参数，经过一定的工程设计程序，用户是否可以从市场买来滤波器商品像配电柜一样安装使用呢？
    笔者认为至少在低压网络上使用单调谐滤波器的场合有这种可能性，不管怎样，有了滤波器的必要参数，也能使滤波器的性能透明化，技术参数明朗化，便于用户对滤波器作性能价格比，虽然目前IEC尚无产品标准，相信有朝一日总会有的，制造厂家现在就公布必要的经过试验验证的性能参数，相信可以获得用户的好评和信赖。
    单台单调谐低压滤波器的基本的必要电气参数，对用户的使用值以及对其评述介绍如下。
9.1 额定电压、过电压能力及持续时间
    笔者所见中外几家产品样本中，只有一家载有过电压能力及持续时间的指标，其实这是必要的，特别在某些特殊场合，三相供电电压允许偏差超过标准还是有可能的，有些厂家公布了所选电容器的额定电压，还不如同时公布滤波器的整体参数来得实用。
9.2 额定无功补偿功率(kVar)
    所有厂家都公布了这个功率，这有必要，如果忽略了它，一旦出现了过补偿，造成母线电压升高，会危及电气装置及设备的安全运行。
9.3 允许谐波电流
    笔者所见只有一个厂家公布了这个参数，约等于额定基波电流(在补偿功率为30kVar时，允许谐波电流为43A)，其实这个参数非常必要。因为滤波器在通过基波电流的同时，还会通过谐波电流(绝大部分是调谐的谐波电流)，二者的合成有效值是滤波器的主要热量来源因素。

      (2)

    (当I1≈IH时)明确了这个允许谐波电流，也就宣告了产品(即包括构成滤波器的电感，电容器的连接导体)的承受全部电流的能力，也决定了厂家对电抗器和连接导体截面的选择和电容器的选择。
9.4 单调谐滤波器的谐波阻抗值ZH
    滤波器安置在电网中时，单台滤波器可能吸收多少谐波电流，决定于滤波器的谐波阻抗和电源系统(主要考虑配电变压器的漏抗以及当谐波源在低压网中时)的比较。对谐波源来说，这两个阻抗是并联的，滤波器的谐波阻抗愈低，送往电源系统的谐波电流愈少，滤波效率也就愈高。如果全部谐波电流中有70%通过滤波器，可以说滤波效率为70%。目前，一些制造厂只说自己产品的滤波效率的范围或平均值，因为滤波效率和变压器的阻抗(即和功率大小)有关，因此滤波效率是一个不确定的参数。谐波的阻抗则是一个非常有用的确定值，知道了它，就可以计算出一个工程的较准确的滤波效率，连同滤波器的允许谐波电流，最终可以选定滤波器的定额(单台或多台并联)，并且可以核算经滤波治理以后，该次谐波电压是否已降至标准允许值之内，但是到目前为止，尚没有一个厂商公布其单调谐波滤波器的阻抗值。虽然也可以从某些样本中的其它参数推出ZH，总不如直接给出来得明快。
9.5 电抗率
    IEC标准中也有叫相对电抗

  (3)

    可见这两者有密切联系。按IEC要求，调谐5次的滤波器的p为4%＜p＜5%，一个产品，对滤波5次而言，其p值愈接近4%(但必须大于4%)，其5次谐波阻抗愈小，滤波及无功补偿效果愈好，但做到p值接近4%且＞4%是不容易的，要考虑到电感值和电容值的设计制造容差，随温度和使用期长短的变化，笔者所见，只有一家的产品的p=5%，所见产品样本中，这是最小的了。
5次单调谐滤波器的相对电抗p=5%对于我国电网的运行是否安全，是否有必要还要提高到6%？没有必要，因为我国电网频率允许偏差即使在电网容量小时也只允许为±0.5Hz即±1%，由于非3的倍数的奇数次谐波是特征谐波，因此可见电网频率的变化并不是大问题。至于产品参数的容差，随电流、温度和时间老化的稳定性等，那是制造厂是否加以控制和保证的问题，厂家样本宣布相对电抗p=5%，那就是在任何条件下任何时候都会≤5%和＞4%的，或者加注上容差也是可以的。总之，调谐滤波器至少需要上述5个参数:
    (1) 额定电压，过电压能力是持续时间;
    (2) 额定无功补偿功率;
    (3) 允许谐波电流;  
    (4) 单调谐谐波电抗值; 
    (5) 电抗率。
    失谐滤波器的要求则可以简化些。上面的要求也适用用于中压单调谐波滤波器。
    这些参数只是必要的基本电气参数，还有其它参数，例如允许环境条件等等参数用户也都是必要的。但是，有了这5项必要的基本的电气参数，就可以使得滤波器的电气特性明朗清晰，方便于进一步应用。

10  无源滤波器两种能力的协调
10.1 实际情况的多样化
    无论滤波器是失谐的还是调谐的，都有兼有滤波和无功补偿两种功能，一旦单调滤波器成为产品，可能还很难适应各种不同工程项目中的不同谐波治理要求和不同无功功率补偿要求，企业的这种复杂情况表现如下:
    (1) 在无功方面:可能是稳定的，但有大小之分，即自然功率因数cosφ不同，无功也可能不稳定，不稳定的范围有大有小，变动的速度有快有慢。交-直-交变频器本身的谐波大，但无功小，要注意。
    (2) 在谐波方面:除了有大小、是否稳定和变动快慢之别外，还有谐波次数之分，如3次、5次、7次、11次、13次等等，对不同企业各次谐波都有自己的大小和变动的特点。
总之，严重情况下大参数有谐波与无功两大类，谐波次数至少有4～5种之多，若将大小考虑进去并进行排列组合，则滤波器的规格品种选择就复杂化了。
10.2 应对策略
    为了减少规格品种数量，向产品标准化方向迈进，在产品生产和工程设计应用方面，宜采取下列措施:
    (1) 在功能目标方面，一般来说优先保证无功补偿，以满足电力系统要求，但绝不要过补偿，在谐波方面，尽量降低各次谐波电压水平直到不会成为引发谐振的因素。要注意，不同的工业电网可以有不同的谐波兼容性水平(IEC标准分为三类)，公用电网可与电力部门协商，因此谐波降到什么水平，有一定的变动空间。对谐波兼容水平要求特别严格的场合则可选用有源滤波器;
    (2) 产品功率单元化，这一点似乎大多数产品已如此。例如以30kVar为单元，多个单元并联，通过切换可以有不同的功率变化;
    (3) 产品功率单元切换的智能化，在保证不过补偿但尽量提高功率因数前提下，合理有序的投切各次谐波滤波器的整体或部分单元。以降低各次谐波电压值。
10.3 工程设计中无源滤波器选择配合程序大纲
    (1) 在一台配电变压器的低压侧，事先计算出无功功率最大变动范围，按最大无功负荷配置无源滤波器的总功率(基波补偿功率);
    (2) 估算出低压侧各次谐波的可能最大谐波电流;
    (3) 按各次谐波电流大小，确定电容器是否需要串联电抗器，这里的关键是如何区分选择？是否可以这样考虑:各次谐波电流乘上变压器的谐波阻抗得出的谐波电压超出标准值的80%或现在未超但不久即可能超过的，优先采用调谐滤波器;
    (4) 将无功功率也按各次谐波电流相对大小分配在各次的单调谐滤波器上，然后复核滤波器的谐波电流是否会过负荷，滤波后的谐波电压降低是否满意，总体上一般以无功不过补，谐波可放松些为原则。即使如此，还可能需要反复多次，有计算机程序可以快捷得到结果;
    (5) 运行中，如果无功负荷降低，根据情况应切除部分滤波器单元，利用智能控制器来完成控制任务。