关于电网无功补偿与谐波治理的探讨

第２２期总第１７６期　２００８年ｌ１月　内蒙古科技与经济　

Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｃ￣ｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｎｏ．２２，ｔｈｅ　１７６ｔｈ　ｉｓｓｕｅ　Ｎｏｖ．２Ｏ０８　

关于电网无功补偿与谐波治理的探讨　张晓慧　，李强２　（１．华北电力大学，河北保定０７１００３；２．包头第二热电厂，内蒙古包头０１４０３０）　

摘　要：文章认为，目前在无功补偿装置中进行谐波治理的一个重要趋势是采用有源滤波器。此装　置不仅能补偿无功和各次谐波还可抑制闪变，具有高度可控性和快速响应性，是当前无功补偿和谐波治　理领域重要的研究发展方向。　关键词：谐波；有源；无源　中图分类号：ＴＭ７２７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—６９２１（２００８）２２—０２９４—０２　

１谐波综述　为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行　水平，在供电系统中，经常采用各种无功补偿装置。　近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、各　种电力电子设备以及电气化铁路大量应用。这些负　荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点，在　运行中会产生大量谐波。　２　电容器无功补偿装置中存在的问题　谐波源有两种，一种是谐波电流源，这些用电设　备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况基　本上与供电系统参数无关。另外一种是谐波电压　源，以发电机在发出基波电势的同时也会有谐波电　势产生为主，其谐波电势大小主要取决于发电机本　身的结构和工作状况。实际上，在电网中运行的发　电机和变压器等电力设备输出的谐波电势分量很小　几乎可以忽略。因此在供电系统中存在并实际发生　作用的谐波源主要是谐波电流源。　在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中，　电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。在工频　条件下并联电容器的容抗比系统的感抗大得多，可　发出无功功率对电网进行无功补偿。但在有谐波背　景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电　流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增　加而补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流　入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额　定电流的１．３倍，电容器将会因过流而产生故障。　另外，针对无功补偿系统的调谐频率，如果电网中存　在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接产生，　严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将　导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出　现的谐波电压和电流。　２．１谐波与并联谐振　当电网中的谐波主要由非线性用电负荷产生　时，此时的谐波源可看作一个很大的电流源，其产生　的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形　成并联回　

由图可见，流入电容器支路的ｎ次谐波电流为：　×　－Ｉａ（￣）Ｘ　ｎＸＴ（１）　

（１）　由式（１）可看出：当电网阻抗和电容器阻抗相等　时，即：　

１厂　＿　ｎＸ　）＝÷ｘｃ（１）　＝√　业时，将形成并联　

谐振。此时，即使系统中的ｎ次谐波电流不大，流入　电容器的ｎ次谐波电流也将会很大（理论上为无穷　大，实际上由于存在电阻，谐波电流为一很大的有限　值），被放大的谐波电流流经电容器时可导致其内部　组件过热而出现故障。　２．２上一级电网系统电压波形严重畸变时，谐波源　相当于一个很大的电压源　谐波电压将在变压器的感抗和电容器的容抗间　形成串联回路（如图２所示）。当感抗和容抗相等时　将形成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形　成强大的电流直接流经补偿电容器使电容器因过流　而迅速故障。　由以上分析可见在有谐波背景的供电系统中单　独使用电容器进行无功补偿时若发生并联谐振或串　联谐振大部分谐波电流将流入电ｇ－器组中而导致其　迅速产生故障。为了避免上述情况的发生就必须寻　求新的能同时实现无功补偿和谐波治理的装置。　３能同时实现无功补偿与谐波治理的装置　３．１传统无源滤波器原理简介　为了滤除谐波，必须为谐波提供一条释放路径，　既保留基波又使谐波短路，也就是使谐波通过滤波　器直接流回谐波源而不注入系统。为此，可采用一　种ＬＣ无源滤波器，常用的是单调谐滤波器（如图３ａ　所示）。　

图１　收稿日期：２００８—０８—２５　・２９４・　

频率上　上滤波　过滤波　器并返回谐波源，从而达到滤除谐波的目的。而对　张晓慧，等・关于电网无功补偿与谐波治理的探讨　２００８年第２２期　于非调谐的基波和其他次谐波滤波器则呈现高阻抗　带来的影响很小。除了上述针对某次谐波频率而设　置的滤波器外常用的还有一种高通滤波器如图３ｂ　所示它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻　抗，可滤除多种高次谐波。在实际工程应用中根据　供电系统中谐波的组成成份往往设置两组ＬＣ滤波　器一组为单调谐滤波器用来滤除含量较大的某次谐　波；另一组为高通滤波器可对高次谐波实现减幅。　上述调谐滤波器实现起来也非常简单，这里就　不再赘述。　需注意的是，上述装置对谐振频率要求非常严　格。若谐振点漂移，将有可能放大谐波电流，因此必　须保证电抗器和电容器的数值不能因温度、环境等　因素而发生变化。为满足此要求，滤波电抗器应采　用电抗值可调的空芯或铁芯电抗器制造精度要求为　正误差。对于电容器，最好选用制造精度为正误差　具有防爆、损耗低、放电特性好等特点的谐波滤波电　容器。在确定其额定电压等级时，需考虑串联电抗　器产生的电压降及谐波电压的影响，一般应选择高　于系统电压。另外，在系统运行中，电容器组经常需　要分组投切，此时就要根据补偿容量和谐波要求来　解决各组间的配合问题。　近来又开发出一种新型无功补偿兼谐波治理装　置——晶闸管投切滤波器。它兼有传统ＴＳＣ和电　力滤波器的优点，并且可抑制因负载变动而引起的　电网电压波动。在基波频率下，ＴＳＦ的基波阻抗呈　容性，可向系统输出无功功率，并且其大小可通过晶　闸管进行调节。对于系统中常见的主要的谐波，可　接近谐振并呈现很低的阻抗，使谐波电流流人滤波　器，从而可同时达到无功补偿和滤除谐波的目的。　由于系统中存在的谐波电流通常有多个频率，若采　用单调谐滤波器来滤除谐波，则需安装多个滤波器。　此时需注意，在投切滤波器时，必须从低次向高次逐　次投入，而在切除时则必须从高次向低次依次切除。　否则，不仅不能达到抑制谐波电流的作用，反而会将　其放大。研究表明，该装置结构简单，易于实现，有　实际应用和推广价值。　无源滤波器是传统的进行无功补偿和谐波治理　的方法。但是无源滤波器的滤波性能受系统和负载　参数的影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐　波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消　除特定次的谐波，动态性能相Ｘ，ｊ－较差，无功补偿效果　也不是很理想。为此，急需开发出新的装置来弥补　上述缺陷。　３．２有源滤波器　目前在无功补偿装置中进行谐波治理的一个重　要趋势是采用有源滤波器。它通过实时检测电网的　电压电流，经运算处理后得到补偿控制指令控制主　电路产生谐波补偿电流，此电流与所要滤除谐波电　流的幅值大小相等，相位相差１８０。，从而可以相互　抵消使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频　率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，滤波特性不　受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗或负载发生　谐振的危险。另外，此装置不仅能补偿无功和各次　谐波还可抑制闪变，具有高度可控性和快速响应性。　它是当前无功补偿和谐波治理领域重要的研究发展　方向。　这里介绍一种采用有源滤波器进行无功补偿和　谐波治理的方案，适合在谐波严重的工况下使用。　此方案其实就是在原来ＦＣ＋ＴＣＲ的基础上，增加　～有源滤波器。具体实现方法为，将一变压器的原　边串联接在电力系统和谐波源之间，副边接有源滤　波器的输出部分。设计的初衷是，希望基波电流可　以从变压器的原边流过，而谐波电流被隔离，无功补　偿装置中的电容器和电抗器串联的支路为被隔离起　来的谐波提供通路，从而达到滤除谐波的目的。根　据变压器的工作原理，要满足上述要求，就需要检测　变压器原边电流中的基波分量，然后采用有源逆变　的方法跟踪此基波分量，并将此基波Ｙｓ－量注入变压　器的副边，从而补偿变压器原边基波电流所产生的　基波磁通，使得变压器对原边基波电流呈现低阻抗，　而对于原边谐波电流呈现高阻抗。可见，为了在变　压器的副边产生一个与原边基波电流大小成比例、　方向相反的电流，就必须准确地从电网电流中检测　出基波电流，即需要有基波电流检测部分，这也是此　有源滤波器的关键部分。另外此装置还要有功率放　大部分，它由滞环控制、ＰＷ－Ｍ驱动和逆变器组成，　将检测到的原边基波电流经转换作为给定信号采用　滞环电流控制使其能够跟踪原边基波电流。从以上　分析可见，该方案只需检测、跟踪基波电流，补偿基　波磁通，性能比较稳定，电路结构也较简单，易于在　工程中实现。　从本质上讲，ＡＰＦ可看作一个大容量的谐波电　流发生装置。通过对电网中的畸变波形实时跟踪补　偿，可使任意频率、任意幅值和相位的谐波都能被滤　除，并使无功功率得到完全补偿。其中，如何实时准　确地检测无功电流和谐波电流，并将此信号作为有　源滤波的控制信号，是同时实现无功补偿和谐波治　理的关键问题。为了使滤波器有较好的信号跟踪效　果，有人提出运用自适应预测原理，实验证明，该方　法效果显著，可达到预期目的。　在我国有源滤波器已开始挂网运行，但存在一　定缺陷。比如：在大容量应用中，有源滤波器逆变器　的容量如何最小化；有源滤波器在负载动态过程条　件下如何实现自适应调节；在严重畸变的不对称电　网及负载下如何提高适应性等。现阶段有源滤波器　研究和应用的一个显著特征是混合型有源滤波器，　即将有源滤波器和无源滤波器相结合。有源部分相　当于一个谐波隔离器既能阻止负载的谐波电流进入　电网，又能防止电网的谐波电压影响负载，而电网公　共连接点上其他负荷的谐波电流则流入无源滤波　器。这样可以同时发挥两者的优点达到良好的补偿　目的。混合型有源滤波器最大的好处是，逆变器只　需承担谐波电流和谐波电压而极大地降低了有源部　分的容量非常适合于大功率谐波负载的补偿。　在谐波严重的地方，若仍使用传统的并联电容　器补偿装置，则有可能对谐波起放大作用甚至产生　谐振，从而给系统和补偿装置带来危害。低成本的　无源滤波器是目前普遍采用的无功补偿和谐波治理　装置。此装置使用简单，但存在一定缺陷。有源滤　波器可以对幅度和频率都变化的谐波以及变化的无　功进行补偿，但也存在初期投资大、运行效率低的缺　点。为此，可将有源滤波器和无源滤波器结合起来　使用，既可以使有源滤波器容量降低，又可弥补无源　滤波器的缺陷，是一个很好的发展方向。　［参考文献］　［１］　王建华．电气工程师手册．机械工业出版社，　２００６，（１ｏ）．　［２］　张直平．城市电网谐波手册．中国电力出版　社，２００１，（２）．　［３］　王兆安．谐波和无功功率补偿技术基本原理．　西安交通大学出版社，２００７　［４］　徐政．电力系统谐波一基本原理、分析方法和　滤波器设计．机械工业出版社，２００８，（７）．