諧波抑制和無功功率補(bǔ)償

1、前言電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，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(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問題予以充分關(guān)注。國(guó)際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

　　2.研究諧波的意義諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)盒自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱。有人預(yù)言，電力電子聯(lián)通運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問題進(jìn)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(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度來認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。

　　3，研究諧波問題的分類3.1與諧波有關(guān)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(bǔ)償與抑制；3.4與諧波有關(guān)的測(cè)量問題和限制諧波標(biāo)準(zhǔn)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(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的；另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛應(yīng)用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不理想。盡管如此，LC濾波器當(dāng)前仍是補(bǔ)償諧波的主要手段。

　　4.1諧波抑制的一個(gè)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(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)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(shí)際應(yīng)用的裝置中，90％以上是電壓型。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來看，又分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前運(yùn)行的裝置幾乎都是并聯(lián)型。4.3對(duì)于作為主要的諧波源的電力電子裝置來說，除了采用補(bǔ)償裝置對(duì)其諧波進(jìn)行補(bǔ)償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發(fā)新型變流器，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1.這種變流器被稱為單位因數(shù)變流器(uPFC)。高功率因數(shù)變流器可近似堪稱為單位功率因數(shù)變流器。

　　4.4對(duì)PwM逆變器的研究已經(jīng)很充分，但對(duì)PWM整流器的研究則較少。對(duì)于電流型PwM整流器，可以直接對(duì)開關(guān)器件進(jìn)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(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，這些諧波的頻率很高，因而很容易濾除。同時(shí)，也得到接近于1的功率因數(shù)。對(duì)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(shè)法得到與電源電壓同相位、由負(fù)載電流大小決定其幅值的電流指令信號(hào)，并據(jù)此信號(hào)對(duì)P WM整流器進(jìn)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(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，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(shù)校正電路(PFC)，已在開關(guān)電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)檗k公和家用電器中使用的開關(guān)電源數(shù)量極其龐大，因此這種方式必將對(duì)諧波污染的治理做出巨大貢獻(xiàn)。

　　5，無功功率補(bǔ)償對(duì)無功補(bǔ)償重要性的認(rèn)識(shí)，卻是一致的。無功功率補(bǔ)償應(yīng)包含對(duì)基波無功功率補(bǔ)償和對(duì)諧波無功功率的補(bǔ)償。后者實(shí)際上就是上一部分提到的諧波補(bǔ)償。

　　5.1無功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載運(yùn)行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)。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(nèi)實(shí)現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率，大多數(shù)負(fù)載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長(zhǎng)距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，這就是無功補(bǔ)償。

　　5.2無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/span>

　　5.2.1提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。

　　5.2.2穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電線中合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。

　　5.2.3在電氣化貼到等三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，通過適當(dāng)?shù)奈涔ρa(bǔ)償可以平衡三相的有功及無功負(fù)載。

　　5.3并聯(lián)電容的成本較低。把并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機(jī)相比較，在調(diào)節(jié)效果相近的條件下，前者的費(fèi)用要節(jié)省很多。因此，電容器的迅速發(fā)展幾乎取代了輸電系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)。但是，和同步調(diào)相機(jī)相比，電容器只能補(bǔ)償固定的無功功率，在系統(tǒng)中有諧波時(shí)，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故也是有發(fā)生。

　　5.4靜止無功補(bǔ)償裝置近年來獲得了很大發(fā)展，已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償及長(zhǎng)距離輸電的分段補(bǔ)償，也大量用于負(fù)載無功補(bǔ)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(yīng)用。靜止無功補(bǔ)償裝置的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率。這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)T C R中晶閘管的觸發(fā)延遲角得以實(shí)現(xiàn)的。TS C只能分組投切，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，他只有和T CR配合使用，才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置整體無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。由于具有連續(xù)調(diào)節(jié)性能且響應(yīng)迅速，因此SV C可以對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變。因TCR裝置采用相控原理，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基波無功功率的同時(shí)，也產(chǎn)生大量的諧波，所以固定電容器通常和電抗器串聯(lián)構(gòu)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(fā)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(jié)束語(yǔ)加強(qiáng)諧波抑制和無功功率補(bǔ)償?shù)难芯浚瑸閯?chuàng)造電力系統(tǒng)的綠色環(huán)境做貢獻(xiàn)。