諧波抑制和無功功率補償

諧波抑制和無功功率補償

1、前言電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓電流波形畸變。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

　　2.研究諧波的意義諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護盒自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術自身發展的影響。電力電子技術是未來科學技術發展的重要支柱。有人預言，電力電子聯通運動控制將和計算機技術一起成為21世紀最重要的兩大技術。然而，電力電子裝置所產生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術發展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。諧波研究的意義，更可以上升到從治理環境污染、維護綠色環境的角度來認識。對電力系統這個環境來說，無諧波就是“綠色”的主要標志之一。

　　3，研究諧波問題的分類3.1與諧波有關的功率定義和功率理論的研究；3.2諧波分析以及諧波影響和危害的分析；3.3諧波的補償與抑制；3.4與諧波有關的測量問題和限制諧波標準的研究。

　　4，諧波抑制解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題的基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛應用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不理想。盡管如此，LC濾波器當前仍是補償諧波的主要手段。

　　4.1諧波抑制的一個重要方法是采用有源電力濾波器(APF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛重視。

　　4.2有源電力濾波器的交流電路可分為電壓型和電流型，目前實際應用的裝置中，90％以上是電壓型。從與補償對象的連接方式來看，又分為并聯型和串聯型，目前運行的裝置幾乎都是并聯型。4.3對于作為主要的諧波源的電力電子裝置來說，除了采用補償裝置對其諧波進行補償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發新型變流器，使其不產生諧波，且功率因數為1.這種變流器被稱為單位因數變流器(uPFC)。高功率因數變流器可近似堪稱為單位功率因數變流器。

　　4.4對PwM逆變器的研究已經很充分，但對PWM整流器的研究則較少。對于電流型PwM整流器，可以直接對開關器件進行正弦PwM控制，使得輸入電流接近正弦波且和電源電壓同相位。這樣，輸入電流中就只含與開關頻率有關的高次諧波，這些諧波的頻率很高，因而很容易濾除。同時，也得到接近于1的功率因數。對于電壓型的PwM整流器，需要通過電抗器與電源相連。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制就是設法得到與電源電壓同相位、由負載電流大小決定其幅值的電流指令信號，并據此信號對P WM整流器進行電流跟蹤控制。間接電流控制就是控制整流器的入斷電壓，使其為接近正弦波的PwM波形，并和電源電壓保持合適的香味，從而使流過電抗器的輸入電流波形為與電源電壓同相位的正弦波。

　　4.5小容量的整流器，為了實現低諧波和高功率因數，通常采用二極管加PWM斬波方式。這種電路通常稱為功率因數校正電路(PFC)，已在開關電源中獲得了廣泛的應用。因為辦公和家用電器中使用的開關電源數量極其龐大，因此這種方式必將對諧波污染的治理做出巨大貢獻。

　　5，無功功率補償對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功功率補償應包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。后者實際上就是上一部分提到的諧波補償。

　　5.1無功功率對供電系統和負載運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略的說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內可以實現。為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供并經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

　　5.2無功功率補償的作用。

　　5.2.1提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。

　　5.2.2穩定受電端及電網電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。

　　5.2.3在電氣化貼到等三相負載不平衡的場合，通過適當的武功補償可以平衡三相的有功及無功負載。

　　5.3并聯電容的成本較低。把并聯電容器和同步調相機相比較，在調節效果相近的條件下，前者的費用要節省很多。因此，電容器的迅速發展幾乎取代了輸電系統中的同步調相機。但是，和同步調相機相比，電容器只能補償固定的無功功率，在系統中有諧波時，還有可能發生并聯諧振，使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故也是有發生。

　　5.4靜止無功補償裝置近年來獲得了很大發展，已被廣泛用于輸電系統波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型的代表是晶閘管控制電抗器+固定電容器。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。靜止無功補償裝置的重要特性是它能連續調節補償裝置的無功功率。這種連續調節是依靠調節T C R中晶閘管的觸發延遲角得以實現的。TS C只能分組投切，不能連續調節無功功率，他只有和T CR配合使用，才能實現補償裝置整體無功功率的連續調節。由于具有連續調節性能且響應迅速，因此SV C可以對無功功率進行動態補償，使補償點的電壓接近維持不變。因TCR裝置采用相控原理，在動態調節基波無功功率的同時，也產生大量的諧波，所以固定電容器通常和電抗器串聯構成諧波濾波器，以濾除TCR中的諧波。SVG通過不同的控制，既可使其發生無功功率，呈電容性，也可使其吸收無功功率，呈電感性。采用PWM控制，即可使其輸入電流接近正弦波。

　　6、結束語加強諧波抑制和無功功率補償的研究，為創造電力系統的綠色環境做貢獻。