電力系統(tǒng)諧波抑制和無功補償裝置

常 曉 王 霜

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 45000250002）

電力系統(tǒng)諧波（harmonic wave of power system），從嚴(yán)格的意義來講，是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其中大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，在此諧波定義的基礎(chǔ)上有了“分?jǐn)?shù)諧波”“間諧波”“次諧波”等說法；同時，大量非線性的負(fù)荷接入電網(wǎng)也導(dǎo)致了電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，即電壓和電流不同相[1]。

配電系統(tǒng)所跨區(qū)域很廣，具有分布性；其次，配電系統(tǒng)中負(fù)荷通過供電線路互相聯(lián)接在一起，具有強耦合性。諧波使介質(zhì)的電場強度增大，電纜的使用壽命縮短，事故概率和修理費用增加。例如若變壓器中注入高次諧波，其附加的銅耗和鐵耗會增加[2]。電力系統(tǒng)中的諧波會給供電系統(tǒng)、用戶帶來直接或間接的危害，影響公用電網(wǎng)的安全運行。

利用諧波濾除和無功補償裝置來濾除電力系統(tǒng)諧波和補償無功，裝置發(fā)展脈絡(luò)隨著電力電子器件的研制和發(fā)展不斷更新。無功補償主要是濾除諧波的，只有極個別諧波抑制裝置有補償無功的作用。

1 諧波抑制和無功補償?shù)陌l(fā)展脈絡(luò)

1.1 就地電容補償

最早可采用調(diào)整同步發(fā)電機勵磁電流的方法來補償無功，也可以使用同步調(diào)相機等裝置來進行無功補償，但是由于并聯(lián)電容器經(jīng)濟簡單、方便靈活，早期使用很廣泛，但是其補償不足時會與電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生相互影響。

電容集中補償，電網(wǎng)無功負(fù)荷的電容器補償方式，多是在高壓10kV電網(wǎng)側(cè)集中地投入大容量的電容器組，或者是在車間、變電所、配電室的低壓側(cè)集中地投入大容量的電容器，這些集中的電容器組，雖然實現(xiàn)了無功負(fù)荷的補償，但是由于大量的、分散的無功負(fù)荷的存在，以集中電容器組的補償方式，其安裝地點和運行管理，很難取得最佳方案而獲得好的經(jīng)濟效果。也就是說，集中的電容器組，雖然補償了電網(wǎng)的無功功率，但是電網(wǎng)中仍然還要輸送無功，存在著線路損失。

另外，還有單片機結(jié)合其他元件制成的印刷版控制電容器的投切。此類并聯(lián)電容器可以提供超前的無功功率，可就地補償，也可裝設(shè)于降壓變壓器所內(nèi)。

1.2 從電容補償發(fā)展到LC補償。

LC濾波裝置也稱為無源濾波器，是由濾波電容器和電抗器適當(dāng)組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除起到濾波作用外，還兼顧無功補償?shù)男枰?。但是，此類濾波裝置也存在損耗大等問題。

例如，濾波裝置利用電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成無功補償?shù)闹黧w設(shè)備。濾波裝置中調(diào)諧電抗器的電感量和品質(zhì)因數(shù)均連續(xù)可調(diào)，取消了串聯(lián)的附加電阻器，上述特點使該濾波裝置具有低損耗和最佳調(diào)節(jié)優(yōu)點。該濾波裝置的電抗器，是由頂部的短路環(huán)D1、上部線圈L1、下部線圈L2、底座D2支撐及調(diào)整螺母螺桿、絕緣塊等組成。由旋動支撐及調(diào)整螺桿上的螺母可使短路環(huán)D1作上下移動以實現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)的連續(xù)可調(diào)，連續(xù)調(diào)節(jié)范圍0～13%，可使兩線圈繞組L1、L2之間的距離作上下移動，從而實現(xiàn)電感的無級連續(xù)可調(diào)。

連續(xù)可調(diào)存在范圍限制，有時候不能隨時跟蹤負(fù)荷的無功需求變化，也就是不能實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補償。

此后，出現(xiàn)了電抗器或電容器與晶閘管配合使用的無功補償裝置，例如，晶閘管控制電抗器TCR，晶閘管投切電容器TSC，以及二者的混合裝置等。

1.3 有源電力濾波器APF補償

有源電力濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的無功進行補償。

傳統(tǒng)的抑制和消除紋波噪聲的方法是采用由若干電阻、電感和電容等無源器件構(gòu)成的濾波電路，這被稱為無源濾波方法。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種包含電力電子器件的裝置被應(yīng)用于電力濾波，這種濾波方法被稱為有源電力濾波。有源電力濾波能夠克服傳統(tǒng)無源濾波參數(shù)不準(zhǔn)確、無法適應(yīng)頻率和負(fù)載的變化、易與系統(tǒng)發(fā)生振蕩等缺點。并且，有源電力濾波方法能夠達(dá)到更好的濾波性能。在功率較大的場合，采用有源電力濾波裝置還可以減少占地面積，降低濾波成本。

伴隨著電力電子器件的發(fā)展，換流器由晶閘管發(fā)展到IGBT，控制方法也更加多樣，電力電子器件的控制方法有PWM、SPWM、SVPWM、NLC等，控制芯片集成度也越來越高。與此同時，還出現(xiàn)了混合有源電力濾波器，將無源電力濾波器和有源電力濾波器結(jié)合起來使用，不再贅述。

同期還有利用靜止無功補償器SVC、SVG給電力系統(tǒng)提供無功補償?shù)难b置，其換流器件也是逐漸由晶閘管向IGBT發(fā)展。

采用IGBT作為換流器件的靜止無功發(fā)生器SVG，即靜止同步補償器STATCOM，用于配電網(wǎng)的DSTATCOM，都是目前利用IGBT作為換流器件補償無功的典型裝置。

1.4 綜合的有功無功補償裝置

隨著電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展，綜合的有功無功補償裝置開始出現(xiàn)，其具有同時調(diào)整系統(tǒng)有功和補償無功的功能。

UPQC作為功能強大的電能質(zhì)量綜合補償裝置，其串聯(lián)側(cè)具有動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR、動態(tài)不間斷電源DUPS功能，并聯(lián)側(cè)具有靜止無功發(fā)生器SVG、有源電力濾波器APF功能。UPQC的串聯(lián)和并聯(lián)單元可獨立運行實現(xiàn)各自功能，也可聯(lián)合運行實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合功能。

利用新能源發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)，通過電力電子變換器件例如IGBT并網(wǎng)時，在并網(wǎng)發(fā)電的同時，控制新能源實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的無功補償。

光伏（photovoltaic，PV）并網(wǎng)充電系統(tǒng)的工作原理是將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)變流器逆變成交流電，除了給本地交流負(fù)載正常供電以外，還可以將多余的電力反饋給三相交流電網(wǎng)或直接將產(chǎn)生的電能全部饋入三相交流電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有APF的功能，在并網(wǎng)發(fā)電給負(fù)載供電的同時，也對光伏并網(wǎng)供電系統(tǒng)中的諧波進行補償。同時，電力電子器件也朝著模塊化發(fā)展，這為大容量大功率的無功補償裝置提供了更加廣闊的發(fā)展空間。

2 結(jié)語

目前，隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，對于電力系統(tǒng)的諧波抑制和無功補償?shù)难芯?，除了探索新的電路拓?fù)渫?，對于變流器控制方法的研究、諧波檢測方法的研究是非常重要的部分，主要研究如何通過諧波檢測方法和變流器控制方法的配合提高變流器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，并且盡可能地降低成本、提高效率，并提高變流器的電磁兼容性能。另外，隨著電力電子技術(shù)、柔性輸配電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，模塊化集成度更高的電力系統(tǒng)諧波抑制和無功補償裝置也在快速地發(fā)展。

[1]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]Hingorani N G. Introducing Custom Power.IEEE Spectrum，1995，32（6）：41-48.