谐波抑制与无功补偿的关系解析及谐波抑制对无功补偿效果的分析

　　随着国民经济的发展，用电负荷的增加，必然要求电网系统利用率的提高。但由于接入电网的用电设备绝大多数是电感性负荷，自然功率因素低，影响发电机的输出功率;降低有功功率的输出;影响变电、输电的供电能力;降低有功功率的容量;增加电力系统的电能损耗;增加输电线路的电压降等。因此，连接到电网中的大多数电器不仅需要有功功率，还需要一定的无功功率。为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，必须进行无功功率的补偿。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响

　　1，补偿技术的应用情况

　　无功补偿的应用目的：

　　（1）可以增加电网中有功功率的比例常数；

　　（2）改善电压调整；

　　（3）减少发、供电设备的设计容量，减少投资；

　　（4）提供静态和动态稳定；

　　（5）降低过电压；

　　（6）减少电压波动；

　　（7）降低线损；

　　（8）减少电压和电流的不平衡。

　　谐波和无功功率的产生

　　在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作这是由其本身的性质所决定的。而相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等电力电子装置其交流侧的电流也常常滞后于电压，它们不但要消耗大量的无功功率，还要产生大量的谐波电流。

　　几种无功补偿装置分析对比

　　电力系统中，常见的无功控制方法有同步调相机、同步电动机、异步电动机同步化、静电电容器、大功率电力电子器件静止无功补偿装置等。

　　（1）同步调相机：同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时， 它向系统供给感性无功功率， 提高系统电压; 在欠励磁运行时， 它从系统吸取感性无功功率， 降低系统电压。它有利于提高系统的稳定性， 虽然目前仍有使用， 但运行维护比较复杂， 而且技术上已显得落后。

　　（2）同步电动机：利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数，设备复杂，造价高，只适于在具有大功率拖动装置是采用。

　　（3）静电电容器：静电电容器可以改善线路参数， 减少线路感性无功功率， 补偿系统无功。但由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比， 当节点电压下降时，它供给的无功功率反而会减少， 所以电容器的无功功率调节性能比较差。但由于维护比较方便， 装设容量可大可小， 既可集中使用、 又可分散装设， 所以目前仍是我国主要的补偿方式。

　　（4）静止无功补偿器（SVC）被用于电压控制或用于获得其它效益，如提高系统的阻尼和稳定性等;这类装置的典型代表有：晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。

　　谐波抑制与无功补偿的关系

　　现代电力配电网中谐波抑制和无功功率补偿不再是两个独立的问题，二者相互之间有非常紧密的联系，主要表现在：

　　（1）无功补偿与谐波抑制都与电力电子技术有密切的关系，而各种电力电子装置目前已成为供用电系统最为主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率。

　　（2）补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可以补偿无功功率，高功率因数整流器既限制了谐波，也提高了功率因数。

　　（3）很多无功补偿装置，如晶闸管控制电抗器（TCR）在正常运行时会产生大的特征谐波注入电网，因此必须采取措施将这些谐波滤除或减弱。

　　在波形畸变情况下， 视在功率S 与有功功率P 和无功功率Q 之间的关系变为：

　　S2＞P2+Q2 （1-1）

　　视在功率减去有功功率后余下的包括两部份， 现用一数学量D 来表示所余下的其中一部份伏安值（习惯上D 就称之为畸变功率）， 这样， 视在功率就成为三维空间向量和， 即：

　　S2=P2+Q2+D2 （1-2）

　　畸变功率D 具有无功功率的性质。因此，谐波电流可以看作是无功功率的增加（谐波无功功率）。它与电磁无功功率在电网中流动时一样， 会增加线路和变压器的铜损耗， 并使供电网络的功率因数降低。

　　谐波的抑制

　　要解决配电系统的谐波和无功补偿问题必须综合考虑滤波和补偿这两方面的因素，能满足要求的实现方法有很多，经过学习比较，这里主要研究两种常见的滤波装置。一种是无源滤波器；一种是有源滤波器。

　　1、无源滤波器

　　无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器，电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。

　　无源滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做的很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素；维护方便；造价低，运行费用也低；对某一次高次谐波的吸收效果明显；设计制造经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。

　　无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点：

　　（1）只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。

　　（2）滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。

　　（3）当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。

　　（4）当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。 （5）装置体积大，损耗大。

　　（6）滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。

　　基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。

　　2、有源电力滤波器

　　有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有：

　　（1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

　　（2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

　　（3）即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿用。 （4）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 （5）能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

　　（6）既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。

　　但目前国内的有源滤波器还处于研发阶段技术还不够成熟，应用的有源滤波器大都是国外进口产品，如ABB公司，价格昂贵，只有少数的工厂和企业在用。因此在这里选用无源滤波装置。

　　从工作原理来看，滤波装置可分为两类。一类为有源滤波器，即该滤波器本身为一谐波源，其发生的谐波与负荷产生的谐波大小相等，但方向相反，正好抵消了负荷产生的谐波，从而达到消除谐波的目的。这类滤波器目前仅有小容量的装置投人使用，尚须进一步研究。另外一类是无源滤波器，它是采用电容、电感谐振的原理来达到“吸收”谐波的目的。由于其中有电容器，所以可以实现滤波兼并补双重作用。

　　致力于380V-35kV电网的谐波抑制与无功补偿的动态无功补偿装置系统（TSC）分析

　　

　　动态无功补偿系统（TSC）的原理及应用 ：

　　动态无功补偿装置，采用晶闸管作为投切开关，跟随负荷变化情况动态投切无功补偿电容器组、实现改善电网功率因数的实时调节，响应速度为（10mS～20mS），即可在10mS～20mS内完成所有电容组的投入切除过程。如图1，该装置能有效调整电网的无功功率，使电网的功率因数达到0.95以上；并具有显著的节能效果（25%以上）；根据现场负载无功与谐波情况，在TSC系统中采用特定的电抗器（占电容器容抗比例为5.67%~7.00%），可有效抑制谐波放大、降低TSC投切瞬间对电网的冲击，达到有效改善供电系统功率因数的目的，满足国标GB/T14549-93的相关要求。TSC一般采用过零投切，采用过零投切时电路的冲击电流为零。为了投切效果更好，必须对电容预先充电。

　　现场工况初步分析：

　　我公司采矿车间配电示意图如图2所示，其中2*630kW提升机是最主要的谐波源，其配电情况主要器件参数如下：

　　供电变压器：容量： ；短路阻抗： 6.9%；原边电压： ；副边电压： ；一次侧电流57.7A，二次侧电流874.8A。

　　提升机：额定功率： ；660V下直流提升机有2台。

　　（1）当前主要问题：

　　① 耗电较高，存在无功补偿问题；

　　②存在630kW直流提升机，故谐波主要在此；

　　③ 630kW直流提升机无功变化剧烈，需动态补偿无功，同时滤除谐波；率因数为0.9。

　　④当前10kV母线功率因数较低。

　　（2）对采矿车间630KW提升机变压器10KV侧进行了现场测试，具体数据如下：

　　①系统无功功率在（524-1216）kVar间变化；

　　②功率因数最高时只有0.63，远低于国标要求。必须补偿无功。

　　③10kV母线电流畸变率很高，最高达110%，这是10kV系统不允许的，表明10kV母线谐波十分严重。由于提升机属于直流负载，因此10kV母线谐波主要来自2台630kW提升机整流柜。为分析流入1000kVA变压器10kV侧的谐波电流是否符合国标，根据用户协议分析，当电网的公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，按下式修正的谐波电流允许值，基本转换公式如下：

　　

　　其中： －修正后的谐波电流允许值（h＝3，5，7，11，13）；

　　－基准电网短路容量，实际取值为100 MVA；

　　－实际电网短路容量， 。

　　注入1000kVA变压器10kV侧的5、11次谐波电流均超过了国家允许值，其中5次谐波超标4倍多，因此设计无功补偿装置时必须考虑谐波的治理问题。

　　分析结果：

　　考虑设计成本，采用在每台提升机660V母线配置静态滤波兼无功补偿PPF与动态无功补偿TSC相结合的治理方案，装置整体无功补偿容量1456kVar/660V，主要特点如下：

　　① 无源滤波容量为300kVar（690V），可有效滤除提升机产生的5次谐波；

　　② 动态无功补偿容量为540kVar（720V），可满足单台提升机660V侧电网的平均功率因数由0.2到0.90的无功补偿需求。

　　③ 无源滤波装置装2面柜；动态无功补偿装置装2面柜；

　　④ 可使660V电网瞬间功率因数最高达到0.95；

　　⑤ 在400V电网功率因数达到0.9的前提下，使10kV母线功率因数达到0.9以上。

　　⑥ 660V与10kV母线谐波满足国家标准；

　　⑦ 有效抑制谐波，使原有无功补偿电容器组可以投切。

　　无功补偿技术是提高电网供电能力、减少电压损失和降低网损的一种有效措施。电力电容器具有无功补偿原理简单、安装方便、投资小，有功损耗小，运行维护简便、安全可靠等优点。因此，在当前，随着电力负荷的增加，要想提高电网系统的利用率，通过采用补偿电容器进行合理的补偿，是能够提高供电质量并取得明显的经济效益的。传统的无功补偿装置（如SVC）虽然目前应用比较广泛，但由于损耗较大、自身谐波较多，技术上已显落后，目前对它的研究主要集中在控制策略上。而基于电力电子逆变技术的无功补偿装置，由于其具有响应速度快、损耗及产生谐波小、能连续大范围调节无功等诸多优点，正成为无功补偿技术的发展方向。