变电站谐波治理及无功补偿的应用

【摘要】为了解决电力系统的谐波污染问题，专家们进行了大量的研究，尝试了各种谐波抑制和无功功率补偿措施，从传统的LC 滤波到有源电力滤波，各种各样的谐波抑制技术层出不断。文章概述了无功补偿，分析了谐波的危害及措施和谐波补偿。

【关键词】变电站 谐波治理 无功补偿

中图分类号：U665文献标识码： A

采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用使电网的谐波污染和低功率因数问题日益严重，影响了供电的质量，因此，对电网谐波采取有效抑制并对无功功率进行补偿已成为重要的研究方向。由于在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除本身的问题之外，也影响负载和电网的无功功率，影响功率因数；产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置；补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置。

一、无功补偿

1、正确无功补偿的意义

正确补偿无功功率，其可以减少设计容量，减少投资，（有谐波源负载时：其可减少谐波对补偿装置及其他设备的干扰以及对电能的消耗），增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损。其补偿目的要达到提高和改善电能质量，降低电能损耗起到节能作用，进而可以减少用户电费支出。无功补偿作为配电设备的主要设备之一，其作用是不可替代的。

2、影响功率因数的主要因素功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P 一定时，如减少无功功率Q ，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q =0时，则其功率因数为1，故提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

3、无功补偿电容器

无功补偿电容器在国内外均得到广泛的应用。其原理是通过并联电容器使电压与电流的相位差变小了，从而提高功率因数。装设并联电容器补偿无功功率的优点是结构简单、经济方便等，应注意的是避免出现过补偿的情况。并联电容器补偿无功功率的主要缺点有：

（1）电容器只能补偿固定的无功功率，不能实现对无功功率的动态补偿；

（2）在系统中有谐波时，有可能发生并联谐振，使谐波放大，可能导致电容器的损坏，甚至破坏电网的正常运行；

（3）补偿容量与供电电压的平方成正比。

4、静止无功补偿装置

（1）晶闸管控制电抗器（TCR）

TCP的单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，而三相多采用三角形联接。通过控制系统不断调节触发延迟角α，从而不断调节导通角δ，使TCR从其电压――电流特性上的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点，达到补偿无功功率的目的。单独的TCR由于只能吸收感性的无功功率，往往需与并联电容器配合使用。并联上电容器以后，总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外，并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收TCR产生的谐波。当TCR与固定电容器配合使用时，被称为FC＋TCR。其缺陷为：当要求这种补偿器的补偿范围能延伸到容性和感性无功功率两个领域时，电抗器的容量必须大于电容器的容量。而当补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功功率的状态时，电容器和电抗器中实际上都已吸收了很大的无功功率，都有很大的电流流过，只是相互抵消而已。

（2）晶闸管投切电容器（TSC）

TSC利用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网断开，利用串联的小电感抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。在实际工程中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器，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。与TRC相比，TSC的缺点是不能连续调节无功功率，但它具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。

（3）静止无功发生器（SVG）

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿地目的。若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流侧只需要较小容量的电容即可。此外，SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。

二、谐波的危害及治理措施

1、谐波的危害

（1）谐波使设备产生附加谐波损耗，降低供配电设备及用电设备的效率，大量的谐波电流流过中线时使线路过热，甚至发生火灾。

（2）谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波引起过电压、过电流使变压器严重过热，使电容器、电缆过热，绝缘老化，寿命缩短。

（3）谐波会引起公用电网局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大。对这一现象， 应特别关注。

（4）谐波导致继电保护和自动装置的误动作。通过对玻璃厂的所有用电设备检测证实有大量谐波源存在，产生各次谐波。其中5 次、7 次谐波尤为突出。同时，由于使用大量阻感负载，使得该厂整个电力系统的功率因数很低，仅0. 79 左右。为此，企业受到了供电部门的处罚 每月要多支付5 万元的罚金。因此，配置了LC 无源滤波补偿器，取得了一定的效果，但没有彻底解决问题。

2、谐波治理措施

电力网谐波含量在8%～10%为中度污染，这时一般用电设备还可以工作，但对于特殊用电设备就不能正常工作了，如无功补偿装置就是此种情况，向电力网投切的一般电力电容器没有抗谐波功能，如果此时电力网谐波含量在8%～10%以上投入电力电容，那么电力电容将在谐波的作用下发生谐振，并在电容内部产生数倍于额定电流的谐振电流，于是就会发生无功补偿装置在运行很短的时间内电力电容器就被击穿而失去电容容量，谐波的干扰也将使无功补偿装置中的小型断路器（熔断器）、接触器（复合开关、可控硅调节器）、热继电器等电器保护元件过热、失灵、熔焊、误动作、接地保护装置功能失常，由于上述情况的出现将严重影响无功补偿质量。

三、谐波补偿

1、有源电力滤波器（APF）

有源电力滤波器是补偿谐波的典型装置。80年代以来，随着新型电力半导体器件的出现、PWM技术的发展、以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出，有源滤波器得以迅速发展.有源电力滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到相当的重视。电力有源滤波器的变流电路分为电压型和电流型，目前实用的装置90％以上为电压型。

2、LC 滤波器

LC滤波器是补偿谐波的传统方法，也是当前补偿谐波的最主要手段，其优点是既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单．这种方法的主要缺点是：

（1）补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。（2）只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

3、采用两类逆变器的补偿系统

谐波补偿要求快速的响应特性，采用IGBT等高频器件构成的逆变器较为合适，但高频逆变器功耗大，单个器件容量小，补偿大容量的无功功率势必造成成本高、运行效率低。而较低频率的器件如GTO等，单个器件容量大，较易构成大容量补偿装置，且低的开关频率可使损耗降低。

四、结束语

无功补偿装置已经成为各级配电系统中不可缺少的主要设备之一，但随着非线性负载设备的使用越来越多，这些谐波源的负载对无功补偿设备的危害也越来越大。谐波是引起电能质量问题的最重要因素，要解决谐波问题又能挖掘电力潜力，就必须设计滤波补偿方案；在确定方案前，一定要了解电网以及产生谐波的负载情况，即负载源会产生几次谐波、谐波污染程度、电流和电压的畸变情况，有针对性的设计方案。

参考文献：

[1]罗安．电网谐波治理与无功补偿技术及装备［M］．北京：中国电力出版社，2006．

[2]王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京:机械工业出版社，1999.

[3]颜晓庆，王兆安. 并联混合型电力有源滤波器的数字模型与稳定性分析. 电力电子技术，1998( 4)