供电系统的无功补偿与谐波治理

1、供电系统的无功补偿与谐波治理1引言近年来，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。这些谐波对无功补偿装置造成 了严重影响。在供电系统中，对于某次谐波，作为无功补偿用的并联电容器若与呈感性的系统电抗发生谐 振则会出现过电压而造成危害。当无功补偿装置运行地点的谐波比较严重时，电压、电流波形会有很大畸 变，电容器投切控制信号的传输就会受到影响，从而有可能引起装置的误动或拒动。另一方面并联电容器 对电网谐波的影响也很大。若电容器容抗和系统感抗配合不恰当将会造成电网谐波电压和电流的严重放大？ 熏

2、给电容器本身带来极大损伤。可见，无功补偿与谐波治理两者关系密切。产生谐波的装置大都是消耗基 波无功功率的装置；治理谐波的装置通常也是补偿无功的装置。因此，为了寻求能同时实现无功补偿和谐 波治理的装置，就必须将二者结合起来进行研究。成都伯乐电气设备有限公司为客户提供无功功率补偿、 电网谐波治理、电能质量在线监测；2电容器无功补偿装置中的谐波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。发电机在发出基波电势的同时也会有谐波电势产生？熏其谐波 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

3、发电机和变压器等电力设备？ 熏输出的谐波电势分量很小几乎可以忽略。因此?熏在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源?熏主要是 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？熏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？熏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

4、谐波电 流源则该谐波将直接被放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，形成并联回路（如图1所示）。由图可见，流入电容器支路的n次谐波电流为：(1)由式（1）可看出：当电网阻抗和电容器阻抗相等时，即：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？熏由于存在电阻？熏谐波电流为一很大的有限值），被放大的谐波电流流经

5、电容器时 可导致其内部组件过热而出现故障。2.2谐波与串联谐振当上一级电网系统电压波形严重畸变时此时的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?熏将形成串联谐振。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容器组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况的发生？熏就必须寻求新的 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无源滤波器在

6、有谐波背景的电网中，为了滤除谐波，就要为谐波提供一条释放路径?熏即保留基波而使谐波短路？ 熏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，它由适当数值的电容、电感和电阻组合而成（如图3 a所示）。通过设置参数，使得在需 要滤除的谐波频率上装置的感抗和容抗相等而抵消？熏即在调谐频率上滤波器呈现低阻抗，这样该频次谐波 就可顺利通过滤波器并返回谐波源，从而达到滤除谐波的目的。而对于非调谐的基波和其它次谐波滤波器 则呈现高阻抗？熏带来的影响很小。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3 b所示它对于某一频率以后

7、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？ 熏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非常简单，就是在原来并联电容器的支路上串接一个适当大小的电抗器。此时， 整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈容性保持其无功补偿作用不变。而对高次谐波补偿支路则呈感性免 了与系统形成电流谐振消除或减小了由于补偿电容所引起的谐波电流放大现象。如何选择电抗器的大小 呢？目前？熏我国并联电容器配置电抗器的电抗率K（K = XK/XC，XK为电抗器的基波感抗XC为电 容器的基波容抗）

8、主要有4种： 0.5%，4.5%？熏6%？熏12%。配置KV0.5%电抗器的主 要目的是限制电容器的合闸涌流；当采用电抗率为4. 5%或6%的串联电抗器时?熏可抑制5次以上的谐 波电流；当采用电抗率为12%的串联电抗器时？熏可抑制3次以上的谐波电流。另外需注意，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？熏具有防爆、 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

9、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。无源滤波器是传统的进行无功补偿和谐波治理的方法?熏具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、 维护方便等优点因此被广泛采用。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，动态性能相对 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?熏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

10、滤波器APFActive P。 wer Filter。它通过实时检测电网的电压电流？熏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？熏相位相差18 0?熏从而可以相互抵消？ 熏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？熏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？熏还 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

11、实就是在原来FC + TCR的基础上，增加一有源滤波器。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，并将此基波分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

12、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、PWM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？熏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。有源滤波器在我国已开始挂网运行?熏但还需要解决一些问题。比如：在大容量应用中？熏有源滤波器 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