有源滤波器和静止型无功补偿器在电力系统中的应用

【摘 要】电力系统中的谐波源危及电网的正常运行。从谐波源及谐波补偿方法的分析出发，着重介绍了一种目前新兴的滤波措施―电力有源滤波器的工作原理和内部结构。有源滤波器滤波性能卓越，能起到减少电网谐波污染，提高电能质量的作用。同时介绍了静止无功补偿装置（SVC）在电力系统中的应用。实际运行结果表明，SVC抗强电磁干扰能力强，响应快，可靠性高，故障率低，达到了满意的效果，提高电力系统的自动化水平。

【关键词】电力系统；谐波治理；无功补偿；SVC

1 谐波的危害

谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：

（1）谐波影响各种电气设备的正常工作。如造成发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热。

（2）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

（3）使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但对于谐波，由于频率倍增，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，导致电容器等设备被烧毁。

（4）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。

2 谐波抑制方法

抑制谐波电流主要有两方面的措施：

2.1 降低谐波源的谐波含量

在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：a.增加整流器的脉动数；b.脉宽调制法。但电力电子装置的应用不可避免产生谐波源。

2.2 在谐波源处吸收谐波电流

2.2.1 无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在许多缺点，如滤波易受系统参数的影响：对某些次谐波有放大的可能：耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

2.2.2 有源滤波器

有源滤波器，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比，它具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，具有抑制闪变、补偿无功的特点，在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响；可消除与系统阻抗发生谐振的危险：具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。因此，近年来有源电力滤波器是电力电子技术在电力系统应用的研究热点。以下介绍两种有源电力滤波器：

（1）并联型有源电力滤波器

并联型有源电力滤波器对谐波电流源有良好的滤波效果。控制系统是有源电力滤波器的核心，决定了有源电力滤波器系统的主要性能。目前，随着各种微处理器的发展，特别是高速数字信号处理器的应用，正成为改善系统性能的强有力工具。

（2）串联型有源电力滤波器

虽然并联型有源电力滤波器对谐波电流源有良好的滤波效果，但对于谐波电压源并不是有效的电路拓扑结构。APF通过变压器串联在电源和负载之间，可被等效成为一个受控阻抗。在理想的情况下在系统稳态时电源基波电流阻抗为零，对谐波电流的阻抗无穷大，从而可以较好地抑制谐波源对电网侧的影响。

（3）混合型有源电力滤波器

考虑到并联型有源电力滤波器对谐波电流源的有效抑制，而串联型拓扑结构能够很好地抑制谐波电压源，人们提出了混合型（串并联）的拓扑结构。

3无功补偿的研究

3.1 晶闸管控制电抗器（TCR）

如图3-1中原理接线图所示，u为交流电压。Thl 、Th2为两个反并联晶闸，控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流 i，u和i的基本波形如图3-1中电流波形图所示 。

图3-1 原理接线图和电流波形图

两个晶闸管分别在电源电压波的两个半周期内导通，由分析可以知道导通控制角Ⅸ在90～l80范 围内调节，90时吸收的感性无功最大，18O时吸收的感性无功最小。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后电压近似90，电流基本是无功电流，0～9O之间由于产生不可接受的、含有直流分量的不对称的电流，故导通控制角在90～180范围内调节。a角增大的影响是减少电流中的基波分量，相当于电抗器的电感值增加，同时减少它所吸收的无功功率。

改变晶闸管的导通控制角也就改变了TCR所吸收的容性无功量。当导通角变化时，吸收的容性无功值从最大变化到零，即TCR向电网补偿的容性无功从零变到最大。a角变化时TCR电流是动态可控的，从而向电网补偿的容性无功也是连续可调的。

3.2 晶闸管投切电容器 （TSC）

3.2.1 TSC的基本原理

如图3-2（a）所示，2个反并联的晶闸管起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。

电容器投入时，TSC的电压/电流特性就是该电容的伏安特性。工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。根据电网的无功需求投切这些电容器。投入的电容器数量不同，TSC的电压/电流特性的斜率也就不同，如图3-2（b）所示。

TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。当TSC用于三相电路时，可以是接法也可以是Y接法，每一相都设计成分组投切。

（a）单相结构简图 （b）电压/电流特性

图3-2 TSC基本原理

3.2.2 控制器的硬件设计

（1）控制器的工作原理

进行并联电容器的投切，前提要将电量信息采集到单片机中。首先电压和电流经过互感器将高电压变换为低电压；之后经过信号预处理，然后进入多路开关，通过单片机控制选择多路开关接通AD574，循环采集三相电压电流信号，将读取的数据进行存储和计算。

（2）控制器的主要硬件部分设计

控制器的硬件主要由模拟量输入、A/D转换、控制芯片、程序存储器和数据存储器、I/0扩展、光电隔离、显示电路、串口通信电路等部分组成。

其中控制芯片控制器的核心部分选用AT89S52单片机；程序存储器选用27C512，其容量为64K字节，读出时间约为170ns，最大工作电流125 mA，最大维持电流40 mA。

光电隔离的作用是保证强电与弱电间的可靠绝缘，触发脉冲与主电路间采用光纤传输。为抑制电磁干扰，避免误触发，选用光电耦合器件输出脉冲闭锁信号，输入熔断器的状态信号。

3.2.3 控制器的软件设计

（1）主要算法设计

本装置中，三相电压、电流轮流采样，每相电压、电流每周期采样点数为64点，为便于计算，采样一个半周期共96点，每点采样值占用2个字节。对AD1674，每2次采样间隔时间为52.1s，除去AD转换所需的10s，共有42.1s可供执行程序指令使用，对AT89S52高速微处理器，这一时间已经足够。

采样顺序为A相电压、A相电流、B相电压、B相电流、C相电压、C相电流。理想情况下同一相电压与电流的采样应同时进行，为使硬件结构简单，本装置没有采用外部采样保持器，同一相电压与电流间的采样相差为

（电角度） （3-1）

设电压与电流间的实际相位差为 ，由此引起的无功误差为

Q=UIsin 一UIsin（ ）

当Q=- 时，这一误差达到最大

（3-2）

这种误差可以通过软件编程加以消除，为使控制程序简单，本设计忽略这种误差。

程序设计算法公式为：

电压有效值 （3-3）

电流有效值 （3-4）

有功 （3-5）

无功 （3-6）

本设计中，取 ，即 和 相差16个采样点。

4 结语

综上所述，电力有源滤波器是治理谐波的有效工具，也是解决目前我国电能质量污染日益严重状况的有力措施。目前，电力有源滤波器在欧美等工业发达国家已得到了高度重视和广泛应用，但是在我国有源滤波技术还处于研究试验阶段。

静止型无功补偿器（SVC）是一种先进的配电网动态功率因数补偿装置，它通过提高功率因数来节约大量的电能，同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量的作用。SVC提高了供电质量，也保证了产品的质量；谐波治理，将谐波畸变率限制在国标要求内；功率因素校正，实现补偿功率因数接近1；提高了设备利用率；当设备需要的无功功率时基本由SVC实时提供，因此主变基本不再提供无功功率，主变的利用率得到提高；无功电流和谐波电流的降低使线路损耗和电机的无功损耗大大降低；降低了自动控制设计的故障发生率。SVC新技术的应用确保了该系统的安全、稳定、经济运行，其卓越的谐波治理和无功补偿性能必将有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社.

[2]时丽君.有源电力滤波器在电能质量控制中的应用[J].电力系统及其自动化学报.

作者简介：

张峰（1967- ），女，本科，高级技师、工程师，从事变电运维工作。

郑思源（1987- ），女，本科，高级工、助理工程师，从事变电运维工作。