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供電系統的無功補償與諧波治理
點擊次數：738 發布時間：2012-11-8
1 引言
在供電系統中，為了節能降損、提高電壓質量和電網經濟運行水平，經常采用各種無功補償裝置。近年來，配電網中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、各種電力電子設備以及電氣化鐵路大量應用。這些負荷大都具有非線性、沖擊性和不平衡性的特點 在運行中會產生大量諧波。這些諧波對無功補償裝置造成了嚴重影響。在供電系統中，對于某次諧波，作為無功補償用的并聯電容器若與呈感性的系統電抗發生諧振則會出現過電壓而造成危害。當無功補償裝置運行地點的諧波比較嚴重時，電壓、電流波形會有很大畸變，電容器投切控制信號的傳輸就會受到影響，從而有可能引起裝置的誤動或拒動。另一方面并聯電容器對電網諧波的影響也很大。若電容器容抗和系統感抗配合不恰當將會造成電網諧波電壓和電流的嚴重放大，給電容器本身帶來極大損傷。可見，無功補償與諧波治理兩者關系密切。產生諧波的裝置大都是消耗基波無功功率的裝置;治理諧波的裝置通常也是補償無功的裝置。因此，為了尋求能同時實現無功補償和諧波治理的裝置，就必須將二者結合起來進行研究。
2 電容器無功補償裝置中的諧波問題
諧波源有兩種一種是諧波電流源，這些用電設備中的諧波含量取決于它自身的特性和工作狀況基本上與供電系統參數無關。另外一種是諧波電壓源。發電機在發出基波電勢的同時也會有諧波電勢產生，其諧波電勢大小主要取決于發電機本身的結構和工作狀況。實際上，在電網中運行的發電機和變壓器等電力設備，輸出的諧波電勢分量很小幾乎可以忽略。因此， 在供電系統中存在并實際發生作用的諧波源，主要是諧波電流源。
在用并聯電容器進行無功補償的供電系統中電網以感抗為主電容器支路以容抗為主。在工頻條件下并聯電容器的容抗比系統的感抗大得多，可發出無功功率對電網進行無功補償。但在有諧波背景的系統中大量的非線性負荷會產生大量的諧波電流注入電網，對這些諧波頻率而言，電網感抗顯著增加而補償系統容抗顯著減小導致諧波電流大部分流入電容器支路，若此時電容器的運行電流超過其額定電流的1.3倍，電容器將會因過流而產生故障。另外，針對無功補償系統的調諧頻率，如果電網中存在該特定頻率的諧波電流源 則該諧波將直接被放嚴重時還會發生并聯諧振或串聯諧振。系統諧振將導致諧波電壓和電流明顯地高于在無諧振情況下出現的諧波電壓和電流。
2.1 諧波與并聯諧振
當電網中的諧波主要由非線性用電負荷產生時，此時的諧波源可看作一個很大的電流源，其產生的諧波電流加在系統感抗和電容器的容抗之間，形成并聯回路（如圖1所示）。
由圖可見，流入電容器支路的n次諧波電流為：
由式（1）可看出：當電網阻抗和電容器阻抗相等時，即：
時，將形成并聯諧振。此時，即使系統中的n次諧波電流不大，流入電容器的n次諧波電流也將會很大（理論上為無窮大，實際上，由于存在電阻，諧波電流為一很大的有限值），被放大的諧波電流流經電容器時可導致其內部組件過熱而出現故障。
2.2 諧波與串聯諧振
當上一級電網系統電壓波形嚴重畸變時此時的諧波源相當于一個很大的電壓源。諧波電壓將在變壓器的感抗和電容器的容抗間形成串聯回路（如圖2所示）。當感抗和容抗相等時，將形成串聯諧振。此時諧波電壓將在串聯回路上形成強大的電流直接流經補償電容器 使電容器因過流而迅速故障。
由以上分析可見在有諧波背景的供電系統中單獨使用電容器進行無功補償時若發生并聯諧振或串聯諧振大部分諧波電流將流入電容器組中而導致其迅速產生故障。為了避免上述情況的發生，就必須尋求新的能同時實現無功補償和諧波治理的裝置。
3 能同時實現無功補償與諧波治理的裝置
3.1 無源濾波器
在有諧波背景的電網中，為了濾除諧波，就要為諧波提供一條釋放路徑，即保留基波而使諧波短路，也就是使諧波通過濾波器直接流回諧波源而不注入系統。為此，可采用一種LC無源濾波器，常用的是單調諧濾波器，它由適當數值的電容、電感和電阻組合而成（如圖3a所示）。通過設置參數，使得在需要濾除的諧波頻率上裝置的感抗和容抗相等而抵消，即在調諧頻率上濾波器呈現低阻抗，這樣該頻次諧波就可順利通過濾波器并返回諧波源，從而達到濾除諧波的目的。而對于非調諧的基波和其它次諧波濾波器則呈現高阻抗，帶來的影響很小。除了上述針對某次諧波頻率而設置的濾波器外常用的還有一種高通濾波器如圖3b所示它對于某一頻率以后的所有頻率都呈現低阻抗，可濾除多種高次諧波。在實際工程應用中，根據供電系統中諧波的組成成份往往設置兩組LC濾波器一組為單調諧濾波器用來濾除含量較大的某次諧波;另一組為高通濾波器可對高次諧波實現減幅。
上述調諧濾波器實現起來非常簡單，就是在原來并聯電容器的支路上串接一個適當大小的電抗器。此時，整個補償電容器支路對諧波源基波仍呈容性保持其無功補償作用不變。而對高次諧波補償支路則呈感性免了與系統形成電流諧振消除或減小了由于補償電容所引起的諧波電流放大現象。如何選擇電抗器的大小呢?目前，我國并聯電容器配置電抗器的電抗率K（K=XK/XC，XK為電抗器的基波感抗XC為電容器的基波容抗）主要有4種：<0.5%，4.5%，6%，12%。配置K<0.5%電抗器的主要目的是限制電容器的合閘涌流;當采用電抗率為4.5%或6%的串聯電抗器時，可抑制5次以上的諧波電流;當采用電抗率為12%的串聯電抗器時，可抑制3次以上的諧波電流。
另外需注意，上述裝置對諧振頻率要求非常嚴格。若諧振點漂移，將有可能放大諧波電流，因此必須保證電抗器和電容器的數值不能因溫度、環境等因素而發生變化。為滿足此要求，濾波電抗器應采用電抗值可調的空芯或鐵芯電抗器制造精度要求為正誤差。對于電容器，選用制造精度為正誤差，具有防爆、損耗低、放電特性好等特點的諧波濾波電容器。在確定其額定電壓等級時，需考慮串聯電抗器產生的電壓降及諧波電壓的影響，一般應選擇高于系統電壓。另外，在系統運行中，電容器組經常需要分組投切，此時就要根據補償容量和諧波要求來解決各組間的配合問題。
隨著電力電子技術的發展，用晶閘管實現的靜止無功補償裝置因其優良的性能而被廣泛應用。例如，有一種兼有諧波治理功能的動態無功功率補償裝置叫做晶閘管投切電容器TSC（Thyristor Switched Capacitor）這種裝置性能良好，被很多場合采用，但線路組成比較復雜，故障點多，維護量相對較大。另外還有一種典型的動態無功補償及諧波濾波裝置為固定電容器 晶閘管相控電抗器FC TCRFixed Capacit Thyristor Controlled Reactor。該裝置根據局部電網zui低功率因數設置固定電容器，根據諧波的階次由電抗器串聯固定電容器組成LC諧波吸收回路根據電網功率因數變化量來調節相控電抗器的大小實現局部電網無功補償和諧波治理。相對TSC來說，該裝置線路簡單，故障率低，運行也較穩定，值得推廣。
近來又開發出一種新型無功補償兼諧波治理裝置——晶閘管投切濾波器TSFThyristor Switched Filters。它兼有傳統TSC和電力濾波器的優點，并且可抑制因負載變動而引起的電網電壓波動。在基波頻率下，TSF的基波阻抗呈容性，可向系統輸出無功功率，并且其大小可通過晶閘管進行調節。對于系統中常見的主要的諧波，可接近諧振并呈現很低的阻抗，使諧波電流流入濾波器，從而可同時達到無功補償和濾除諧波的目的。由于系統中存在的諧波電流通常有多個頻率，若采用單調諧濾波器來濾除諧波，則需安裝多個濾波器。此時需注意，在投切濾波器時，必須從低次向高次逐次投入，而在切除時則必須從高次向低次依次切除。否則，不僅不能達到抑制諧波電流的作用，反而會將其放大。研究表明，該裝置結構簡單，易于實現，有實際應用和推廣價值。
無源濾波器是傳統的進行無功補償和諧波治理的方法，具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠、維護方便等優點因此被廣泛采用。但是無源濾波器的濾波性能受系統和負載參數的影響較大，易于與系統發生并聯諧振，導致諧波放大從而使濾波器過載甚至燒毀，另外它只能消除特定次的諧波，動態性能相對較差，無功補償效果也不是很理想。為此，急需開發出新的裝置來彌補上述缺陷。
3.2 有源濾波器
目前，在無功補償裝置中進行諧波治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器APFActive Power Filter。它通過實時檢測電網的電壓電流，經運算處理后得到補償控制指令控制主電路產生諧波補償電流，此電流與所要濾除諧波電流的幅值大小相等，相位相差180°，從而可以相互抵消，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，濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗或負載發生諧振的危險。另外，此裝置不僅能補償無功和各次諧波，還可抑制閃變，具有高度可控性和快速響應性。它是當前無功補償和諧波治理領域重要的研究發展方向。
這里介紹一種采用有源濾波器進行無功補償和諧波治理的方案，適合在諧波嚴重的工況下使用。此方案其實就是在原來FC TCR的基礎上，增加一有源濾波器。具體實現方法為，將一變壓器的原邊串聯接在電力系統和諧波源之間，副邊接有源濾波器的輸出部分。設計的初衷是，希望基波電流可以從變壓器的原邊流過，而諧波電流被隔離，無功補償裝置中的電容器和電抗器串聯的支路為被隔離起來的諧波提供通路，從而達到濾除諧波的目的。根據變壓器的工作原理，要滿足上述要求，就需要檢測變壓器原邊電流中的基波分量，然后采用有源逆變的方法跟蹤此基波分量，并將此基波分量注入變壓器的副邊，從而補償變壓器原邊基波電流所產生的基波磁通，使得變壓器對原邊基波電流呈現低阻抗，而對于原邊諧波電流呈現高阻抗。可見，為了在變壓器的副邊產生一個與原邊基波電流大小成比例、方向相反的電流，就必須準確地從電網電流中檢測出基波電流，即需要有基波電流檢測部分，這也是此有源濾波器的關鍵部分。另外此裝置還要有功率放大部分，它由滯環控制、PWM驅動和逆變器組成，將檢測到的原邊基波電流經轉換作為給定信號，采用滯環電流控制使其能夠跟蹤原邊基波電流。從以上分析可見，該方案只需檢測、跟蹤基波電流，補償基波磁通，性能比較穩定，電路結構也較簡單，易于在工程中實現。
從本質上講，APF可看作一個大容量的諧波電流發生裝置。通過對電網中的畸變波形實時跟蹤補償，可使任意頻率、任意幅值和相位的諧波都能被濾除，并使無功功率得到*補償。其中，如何實時準確地檢測無功電流和諧波電流，并將此信號作為有源濾波的控制信號，是同時實現無功補償和諧波治理的關鍵問題。為了使濾波器有較好的信號跟蹤效果，有人提出運用自適應預測原理，實驗證明，該方法*，可達到預期目的。
有源濾波器在我國已開始掛網運行，但還需要解決一些問題。比如：在大容量應用中，有源濾波器逆變器的容量如何zui小化;有源濾波器在負載動態過程條件下如何實現自適應調節;在嚴重畸變的不對稱電網及負載下如何提高適應性等。現階段有源濾波器研究和應用的一個顯著特征是混合型有源濾波器，即將有源濾波器和無源濾波器相結合。有源部分相當于一個諧波隔離器既能阻止負載的諧波電流進入電網，又能防止電網的諧波電壓影響負載，而電網公共連接點上其它負荷的諧波電流則流入無源濾波器。這樣可以同時發揮兩者的優點達到良好的補償目的。混合型有源濾波器zui大的好處是，逆變器只需承擔諧波電流和諧波電壓而極大地降低了有源部分的容量非常適合于大功率諧波負載的補償。
4 結束語
無功補償對改善電能質量電壓起著重要作用。隨著電網中非線性負荷的不斷增加，其產生的諧波也急需治理。在諧波嚴重的地方，若仍使用傳統的并聯電容器補償裝置，則有可能對諧波起放大作用甚至產生諧振，從而給系統和補償裝置帶來危害。低成本的無源濾波器是目前普遍采用的無功補償和諧波治理裝置。此裝置使用簡單，但存在一定缺陷。有源濾波器可以對幅度和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，但也存在初期投資大、運行效率低的缺點。為此，可將有源濾波器和無源濾波器結合起來使用，既可以使有源濾波器容量降低，又可彌補無源濾波器的缺陷，是一個很好的發展方向。