配電網的動態無功補償與諧波抑制

李俊秀 蘭州石化職業技術學院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060

配電網的動態無功補償與諧波抑制

李俊秀 蘭州石化職業技術學院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060

針對電能質量由于諧波污染日趨下降的現狀，闡述了幾種抑制諧波的技術措施，重點研究了動態無功補償與消波技術的應用，指出無功補償與諧波治理同時進行，才能提高系統的電能質量。

配電網；電能質量；動態補償；諧波抑制

引言

20世紀80年代以來，隨著半導體變流技術的快速發展，基于電力電子技術的設備在企業得到了廣泛應用，尤其是大容量變流裝置的使用，導致配電網中電壓和電流波形發生畸變；加之直流輸電、電氣化鐵路、沖擊性負荷的不斷增多，致使電能質量日趨下降，給電力系統的正常運行帶來了一系列的問題，其中最為嚴重的就是功率因數降低、電磁干擾和諧波污染三大公害。但在另一方面，大量基于微處理器的智能設備，它們對電網中的諧波特別敏感，對電能質量的要求越來越高，使得電能質量成為現代電網建設亟待解決的問題。因此，針對各種諧波源產生諧波的機理，合理選擇抑制諧波的手段，已成為現代智能電網建設和系統安全運行的重要課題。

1 諧波的產生及危害

諧波是由諧波電流源產生的。當正弦電壓施加于非線性負荷時，電流變為非正弦波，由于負荷與電網相連，非正弦電流注入電網，在電網阻抗上產生壓降形成非正弦波，使電壓或電流波形發生了畸變。因此，非線性負荷就成了電網的諧波源。

配電網中的諧波源可分為三類：①半導體非線性負載，如各種整流裝置、交直流換流裝置、PWM變頻器、相控調制變頻器以及節能和控制用的電力電子設備等。②磁飽和非線性負載，如變壓器、電抗器、發電機等。③電弧非線性負載，如各種氣體放電燈、冶金電弧爐、直流電弧焊等。在電力電子裝置大量應用之前，主要的諧波源是②、③類，而在電力電子設備大量應用的今天，第①類便成為最主要的諧波源。

諧波是電網的公害。諧波電流的存在，不僅會引起電壓波形畸變，而且會對電網和電氣設備產生多方面的危害。

2 配電網諧波的抑制

按照GB/T 14549-1993《電能質量·公用電網諧波》的規定：對公用10kV配電網，奇次諧波電壓含有率的限值為3.2%，偶次諧波電壓含有率的限值為1.6%，電壓總諧波畸變率的限值為4.0%；注入電網公共連接點的諧波電流允許值為20A（對3次、5次諧波）。將系統中的諧波限制在允許的范圍內，就能保證電網及設備正常運行。因此，應針對諧波產生的機理，采取合理、有效的技術措施，對電網中的諧波加以抑制。

2.1 減小諧波源

整流裝置是電網的主要諧波源。對諧波源本身采取措施，是減少諧波的有效途徑。

（1）三相整流變壓器采用Yd或Dy接線 由于3次及其整數倍次的諧波電流在三角形連接繞組內形成環流，不會在星形連接的繞組內出現3次及其整數倍次的諧波電流，所以采用Yd或Dy接線的三相整流變壓器，能有效抑制3次及其整數倍次的諧波電流注入電網。

（2）增加整流裝置的脈沖數 整流裝置的脈沖數越多，其次數高的諧波被消去的也越多。分析與測試表明，三相六脈沖全波整流裝置出現的5次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%；如將兩組六脈沖整流裝置分別接入兩臺接線方式為Yy和Yd的整流變壓器，即將兩組6脈沖整流電路變成12脈沖整流電路，則出現的5次諧波電流會降為基波電流的4.5%，7次諧波電流將降為基波電流的3%。

2.2 裝設濾波器

在產生諧波源的設備處安裝濾波裝置，吸收諧波電流，是防止諧波電流注入電網的關鍵技術。

（1）裝設無源交流濾波器 在大容量靜止諧波源與電網連接處，裝設無源交流濾波器，利用R、L、C電路串聯諧振的原理，使濾波器的各組調諧回路分別對特定諧波進行調諧發生串聯諧振，即對特定頻率的諧波呈現零阻抗，從而吸收諧波電流，以阻止該次諧波注入電網。交流濾波器對基波呈現容性，還兼有無功補償的作用。交流濾波器因其結構簡單、投資少、運行可靠、維護方便而得到廣泛的應用。無源交流濾波器不足之處是濾波效果易受電網參數的影響。

（2）裝設有源電力濾波器 有源電力濾波器如圖1所示，是一種基于動態無功補償和諧波抑制的新型電力電子裝置，不僅能調節無功功率，而且對消除電網諧波、穩定系統電壓、抑制電壓閃變、平衡三相負荷、抑制系統振蕩有獨特作用。

圖1 動態無功補償電路

由圖1可知，電容與可控電抗器并聯支路的等效電納B為：

當α=180°時，B=ωC，并聯支路呈容性，可向電網提供超前無功；當α=90

圖2 等效阻抗曲線

動態無功補償電路可工作在晶閘管關斷（觸發角α=180°）、容抗調節（αcrt<α <180°）、感抗調節（90°<α<αcrt）和小感抗調節（晶閘管全導通）等不同的工作狀態，以自動適應負載變化和系統調諧的需要，其等效阻抗曲線如圖2所示，αcrt為電路的并聯諧振點。一般情況下，電路為容抗調節模式，觸發角的范圍為αcrt<α<180°。如果要調節系統中的感性無功，也可以令其工作在感抗調節模式，其觸發角的范圍為90°<α<αcrt。

有源電力濾波器的主要特點是動態特性優良，具有小于1ms的響應時間，三相補償諧波電流的次數可達50次，還能消除中性線上3次諧波電流及其他零序性質的諧波，在進行無功補償又消除諧波的同時，能將功率因數補償到1。有源電力濾波器適用于動態非線性負荷，如電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼設備等。

2.3 抑制電容器組對諧波的放大

在電網中，并聯電容器組用于補償無功功率，但當系統存在諧波時，在一定的參數配合下，電容器組會對諧波電流放大，嚴重時發生諧振，危及電容器本身及附近其他電氣設備的安全。解決問題的辦法是在電容器回路中串聯電抗器，為了取得最佳的效果，需要將無功補償與諧波抑制同時考慮。

3 結束語

提高系統功率因數，抑制電網諧波污染，確保系統電能質量，是電力部門和用戶需要共同努力解決的問題。各級電力部門應根據國家頒發的標準和規定，對電網進行嚴格的監督和管理；工礦企業作為電力用戶，在設計、制造和使用諧波源設備時，應同時考慮無功補償與諧波治理，從實際出發，因地制宜，采用合理的手段和先進的技術，提高系統功率因數，減少諧波電流注入電網。只有通過各方的共同努力，才能保證電力系統的電能質量。

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李俊秀(1956-)，男，甘肅鎮原縣人，本科，副教授，主要從事電氣自動化技術的教學與研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.003