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供电系统的无功补偿与谐波治理
点击次数：747 发布时间：2012-11-8
1 引言
在供电系统中，为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平，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。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，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。
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，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：
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，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 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，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，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，即保留基波而使谐波短路，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，它由适当数值的电容、电感和电阻组合而成（如图3a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，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，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，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）主要有4种：<0.5%，4.5%，6%，12%。配置K<0.5%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，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，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，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。
随着电力电子技术的发展，用晶闸管实现的静止无功补偿装置因其优良的性能而被广泛应用。例如，有一种兼有谐波治理功能的动态无功功率补偿装置叫做晶闸管投切电容器TSC（Thyristor Switched Capacitor）这种装置性能良好，被很多场合采用，但线路组成比较复杂，故障点多，维护量相对较大。另外还有一种典型的动态无功补偿及谐波滤波装置为固定电容器 晶闸管相控电抗器FC TCRFixed Capacit Thyristor Controlled Reactor。该装置根据局部电网zui低功率因数设置固定电容器，根据谐波的阶次由电抗器串联固定电容器组成LC谐波吸收回路根据电网功率因数变化量来调节相控电抗器的大小实现局部电网无功补偿和谐波治理。相对TSC来说，该装置线路简单，故障率低，运行也较稳定，值得推广。
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TSFThyristor Switched Filters。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，使谐波电流流入滤波器，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，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，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APFActive Power Filter。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，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*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*，可达到预期目的。
有源滤波器在我国已开始挂网运行，但还需要解决一些问题。比如：在大容量应用中，有源滤波器逆变器的容量如何zui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它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zui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。
4 结束语
无功补偿对改善电能质量电压起着重要作用。随着电网中非线性负荷的不断增加，其产生的谐波也急需治理。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。