諧波抑制、無功補(bǔ)償及其仿真的研究綜述

王琳

摘 要 本文首先闡述了諧波及無功問題的研究背景及意義，并分析了諧波抑制及無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用現(xiàn)狀。然后簡(jiǎn)要介紹了有源電力濾波器原理，并比較畸變電流和經(jīng)過有源濾波器濾波后電流的畸變程度。最后，利用Simulink模塊模擬現(xiàn)實(shí)電路，得到與無功功率補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，并比較沒有無功功率補(bǔ)償和有無功功率補(bǔ)償終端電壓的穩(wěn)定性。通過仿真結(jié)果，可以看出諧波抑制及無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 諧波抑制 無功補(bǔ)償 有源電力濾波器 MATLAB仿真

中圖分類號(hào)：TM935.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的推廣，高效的利用電能的同時(shí)，隨之所帶來的電能質(zhì)量問題引起了廣泛關(guān)注。電力電子設(shè)備、非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益加重。而且功率因數(shù)低的電力電子裝置會(huì)影響電能質(zhì)量，并給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)。因此，關(guān)于諧波抑制及無功補(bǔ)償?shù)难芯空n題引起了業(yè)界廣泛關(guān)注。為了不讓諧波污染及功率因數(shù)低阻礙電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的發(fā)展，需要對(duì)抑制諧波污染、無功補(bǔ)償開展深入研究。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采取各種諧波抑制方法，并且也得到廣泛的應(yīng)用。但還有不足，未能達(dá)到預(yù)想的效果，這需要進(jìn)一步擴(kuò)充基礎(chǔ)理論研究，來提出更為有效的方法。

諧波抑制研究的意義在于諧波不僅影響電能質(zhì)量，而且還降低電能的使用效率，縮短設(shè)備使用壽命，因過熱而絕緣老化，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致發(fā)生故障或燒毀。同時(shí)引起并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，放大諧波含量，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致電容器等設(shè)備燒毀。并且干擾通信設(shè)備和電子設(shè)備，引起電氣裝置裝置誤動(dòng)作，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障。

無功補(bǔ)償研究的意義在于無功功率影響供電系統(tǒng)和負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行，一旦無功功率增加會(huì)導(dǎo)致供電設(shè)備視在功率增大，從而導(dǎo)致設(shè)備的尺寸和規(guī)格增大。無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致設(shè)備及線路損耗增加，變壓器及線路壓降增大，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)。

1目前應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 諧波抑制的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

無源LC濾波器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但缺點(diǎn)是當(dāng)補(bǔ)償特性受到電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響時(shí)，和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，導(dǎo)致過載甚至燒毀。相對(duì)于，有源電力濾波器（APF）能夠?qū)︻l率和大小都在變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償特性是不受電網(wǎng)阻抗和頻率變化影響，可獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償效果。

從近年來看其發(fā)展趨勢(shì)：一是通過采用PWM調(diào)值技術(shù)和提高開關(guān)器件等效開關(guān)效率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償和系統(tǒng)的大容量；二是采用PPF和APF組成的混合型電力濾波器系統(tǒng)，可減少APF的容量，達(dá)到降成本、提高效益的目的。

1.2 無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在電力系統(tǒng)中，可以采用并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償裝置SVC、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）等補(bǔ)償無功功率的方法。靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）用于負(fù)載無功補(bǔ)償和輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償及長(zhǎng)距離輸電的分段補(bǔ)償。

目前補(bǔ)償裝置有應(yīng)用最多的靜止無功補(bǔ)償裝置（TCR、TSC等）以及有應(yīng)用前景的靜止無功發(fā)生器（SVG），將以電力電子技術(shù)為核心作為無功補(bǔ)償技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)，開發(fā)出性能更為優(yōu)越的裝置。

2有源電力濾波器原理及其仿真

有源電力濾波器工作原理是能夠產(chǎn)生一組與所測(cè)到的畸變諧波電流相位相反的諧波電流，諧波因此被抵消，從而形成一個(gè)無畸變的正弦電流。通過以下幾個(gè)例子來說明有源電力濾波器的工作原理。每個(gè)例子都給出一個(gè)畸變諧波電流波形的樣本以及相應(yīng)的由有源電力濾波器產(chǎn)生的用以消除該諧波電流的電流。圖1-5給出不同畸變電流與有源電力濾波器電流補(bǔ)償關(guān)系。

3無功補(bǔ)償系統(tǒng)仿真

3.1負(fù)載為純電阻的仿真

在Simulink中，搭建負(fù)載為純電阻的主電路的仿真模型，如圖6所示。

設(shè)置三相傳輸線路阻抗為200€%R。使用三相電阻負(fù)載，調(diào)整E1到300V，并且在以后的實(shí)驗(yàn)中保持300V不變，逐漸改變?nèi)嚯娮柝?fù)載的阻值，同時(shí)保持它們的三相平衡，記錄下E1、P1、Q1、E2、P2、Q2的值，如表1。

3.2負(fù)載為R與C并聯(lián)的仿真

在Simulink中，搭建負(fù)載為R與C并聯(lián)的主電路的仿真模型，如圖7所示。

使用三相阻容負(fù)載，保持E1=300V不變，調(diào)整負(fù)載電容XC的值，讓負(fù)載R對(duì)應(yīng)的每個(gè)E2的值接近于300V，并記錄電容值XC，有功功率P1和P2，無功功率Q1和Q2的值。如表2、圖6、圖7。

3.3仿真結(jié)果分析

由表1和表2中的E2和P2的值，以E2為縱坐標(biāo)，以P2為橫坐標(biāo)，分別作圖得到圖8。從仿真的結(jié)果看，并聯(lián)無功補(bǔ)償可以使得終端電壓趨于穩(wěn)定。電壓表達(dá)式如下：

由式（5）知，當(dāng)R與C并聯(lián)時(shí)，負(fù)載增大即電阻R減小，整個(gè)電路中的電流I會(huì)增大。當(dāng)電流I增大且線路電抗XL不變時(shí)，UL會(huì)增大，這時(shí)可以調(diào)節(jié)XC的大小來調(diào)節(jié)UC的大小，讓UC增大去抵消UL增大，從而保證U的大小基本保持不變（如圖8）。

4結(jié)語

從諧波抑制及無功補(bǔ)償兩個(gè)方面進(jìn)行MATLAB仿真及分析，一方面是有源電力濾波器所產(chǎn)生的電流可抵消諧波電流，從而起到諧波抑制的作用，仿真的結(jié)果也很好的說明這點(diǎn)。另一個(gè)方面則是通過對(duì)實(shí)際電路的仿真，對(duì)比沒有無功補(bǔ)償及有無功補(bǔ)償這兩種情況，并用MATLAB作圖對(duì)其進(jìn)行分析，得出終端電壓的穩(wěn)定性受無功功率影響。從仿真結(jié)果看，諧波抑制及無功補(bǔ)償都取得較好的效果。

參考文獻(xiàn)

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