配網線路中無功與諧波的綜合治理

舒正發

摘要：在現代電力系統中，供電系統的無功功率與諧波消耗了大量的電力資源，文章提出要不斷研究新的抑制無功功率與諧波的措施與方法，同時可以積極優化配網線路中的并聯電容器以及串聯電抗器的參數，采用綜合的補償技術，提高配網線路中的供電質量。

關鍵詞：供電系統；無功功率；補償技術；配網線路

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0077-02

新的世紀，社會科學技術獲得了快速的發展與進步，而電子系統技術也不斷向前發展。目前不同的新型電氣設備得到廣泛地應用，這些電氣設備具有高效節能的顯著特點，因此受到人民群眾的歡迎。但是隨著家用電器的大規模使用，導致供電系統中非線性電氣設備與負荷產生很多的高次諧波電流進入電網，因此直接使供電系統中的電壓波形發生嚴重畸變，同時功率因數也明顯降低，這樣會使供電系統中的電能質量下降，甚至可能威脅家用電器的用電安全。所以加大對配網線路中的無功功率與諧波的危害以及制定相應的防范措施的研究，對提高供電可靠性有著較大的意義。

1 配網線路中的無功功率與諧波的產生

1.1 家用電器在工作時產生無功功率與諧波

現在配網線路中很多家用電器呈現感性，如常見的空調、熒光燈、異步電動機以及計算機系統的整流器等。且諸如電動機、熒光燈等負載以及變電站的變壓器與電抗器要依靠無功功率才能正常運行，這是由其工作原理決定的。而變頻器、整流器、電子穩壓電源等用電設備要利用相控方式才能正常工作，而作用其上的電壓的相位要超前于流過的電流，因此這些用電器要消耗很多的無功功率，同時產生不同階次的諧波電流。所以很多用電器即使作用于其兩端的電壓與流過的電流同相，由于供電線路中諧波電流的存在，這些用電器同樣要消耗一定的無功功率，因此配網線路中產生大量的無功功率與諧波電流，嚴重影響了供電系統的供電效率。

1.2 公用電網系統工作時產生無功功率與諧波

目前很多公用供電系統中利用電力電子設備，如電焊機、不同的大型變流器以及變頻器等，而且發電廠的發電機由于其周圍的磁場作用也會產生非正弦的電壓，這樣也會生產諧波，隨后就會進入配網線路中，同樣危害著供電系統的工作。這些諧波有時會嚴重影響工廠的正常生產工作的進行，若供電系統中的大型整流器設備沒有進行消除諧波的處理，那么其諧波電流可能導致工廠電動機的損壞，甚至引起生產安全事故。所以公用電網系統產生的無功功率與諧波會嚴重影響供電系統的正常工作。

1.3 無功功率與諧波的定義

根據經典電路理論可以知道，在交流電網中存在有有功功率、無功功率與視在功率，計算公式如下所示：

有功功率：P=UIcosx

無功功率：Q=UIsinx

視在功率：S=UI

其中x是電壓超前于電流的相位角，三者的關系如下公式所示：

S2=P2+Q2

其物理意義是，有功功率P表示在一個周期內瞬時電壓與瞬時電流的乘積的積分，又稱平均功率；視在功率S表示電器兩端的電壓與電流有效值得乘積；無功功率Q表示不同的儲能元件的功率，在單相供電系統中無功功率在電感與電容反復交換，而在工農業生產的三相電路中，無功功率是具有儲能特性的負載在三相之間進行能量的相互交換，但是這些儲能元件不能消耗功率，因此任何時候三相電路中的無功功率之和為零。

2 抑制無功補償與諧波的措施

2.1 抑制無功功率補償的措施

現在抑制電力系統中的無功功率的措施很多，通常利用同步發電機、同步電動機以及并聯電容器與靜止無功補償設備等。由于在很多供電系統中含有很多的阻感型負載，因此可知系統中的總等效負載會呈現感性，所以可以通過利用并聯電容器的方法補償無功功率，從而有效地提高供電系統中的功率因數。在電力系統中并聯電容器補償無功功率的原理圖以及向量圖如下圖1

所示：

圖1 并聯電容器補償無功功率的原理圖以及向量圖

從上圖可知，在電阻R與電感L電路兩端并聯電容C之后，那么可以有效減少電壓相量Ua與電流相量Ia之間的相位，從而提高整個系統中的功率因數。而且利用電容器補償電路中的無功功率原理簡單，容易操作，成本低，能有效地減少耗能，因此得到了廣泛的應用。

2.2 抑制諧波的措施

通常可以利用無源LC濾波器或者有源的電力濾波器濾波以及改變諧波源來抑制諧波，在工程中可以通過提高變流器的相數以及利用高功率因數整流器等措施抑制諧波。而由于無源的LC濾波器的原理簡單，容易操作，成本低，可靠性好以及便于維護等優點，便其得到廣泛的應用。濾除諧波的基本原理是為電力系統中的高次諧波提供通路釋放出去，這樣可以使高次諧波被短路，從而只是在供電系統中保留基波，從而有效地消除電力系統中的高次諧波。其原理圖如圖2所示：

圖2 濾除高次諧波原理圖

濾除諧波的LC電路是利用適當的電感、電容以及電阻構成。濾波器要使需要濾除的諧波頻率在感抗與容抗上相等而相互抵消，這也成為調諧。在調諧頻率上LC濾波器呈現低阻抗的特點，而在含有諧波的配網線路中，電容器的阻抗呈現容性，這樣就會與配電網線路中的諧波作用，而在并聯諧振或者串聯諧振時，電容器會對諧波電流進行放大，這樣很容易導致電容器以及其他電氣設備上的功率過大而損壞。因此要利用LC電路調諧濾波，保證供電的安全。

3 抑制無功補償與諧波的發展方向

雖然傳統的抑制無功功率與諧波的措施很多，但是通常都是靜態補償的措施，因此若配網線路中的各種參數確定以后，就不能隨時改變，而在供電系統中由于負載是隨著用戶的用電情況不斷發生變化，那么配網線路中的感性負載也是變化的，但是傳統的補償措施不能隨著變化而及時變化，因此不能進行動態的補償。但是在新的時期，配網線路中的動態補償需求越來越重要，因此有必要積極研究配網線路中的動態補償的新措施，改進傳統補償方式。傳統補償方式的濾波頻率可調性比較差，而且補償的效果受到配網線路中的阻抗以及運行狀態的影響比較大，導致系統容易出現并聯諧振的情況，可能導致用電器出現過載的現象，因此補償效果可能很不理想，有必要研究新的補償的方式。在新的世紀，隨著科學技術的快速發展，現在很多科研人員正在研究有源電力濾波器補償的可能性，將來這種補償措施可以利用實時檢測配網線路中的電壓電流經計算機系統處理之后來發出補償控制的指令，從而控制配網線路產生諧波補償電流與系統中諧波電流相互抵消，最終濾除諧波。而且有源電力濾波器一方面可以實現濾波諧波，另一方面還可以實現無功動態補償的作用，因此有源電力濾波器補償是將來抑制無功補償與諧波的重要措施與方法。在不同的配網線路中，還要根據具體情況，結合傳統補償方式，采用科學合理的補償措施，使之達到好的經濟效益與社會效益。同時相關科研單位要抓住機遇，發展新的可用的方式，促進電力系統的發展。

4 結語

目前，由于大量的用電器的使用，配電線路中的無功功率與諧波污染不斷嚴重，這些日益影響工農業的正常生產，因此為了保證國民經濟的可持續發展，有必要不斷研究新的抑制無功功率與諧波的措施與方法，同時可以積極優化配網線路中的并聯電容器以及串聯電抗器的參數，采用綜合的補償技術，同時積極改進發電系統，這樣才能提高配網線路中的供電質量。

參考文獻

[1] 司渭濱，查貝妮.配網線路中無功與諧波的綜合治理[J].農村電氣化，2008，（4）.

[2] 朱建紅，常偉，潘文霞.具有諧波分頻補償功能級聯靜止同步補償器[J].電氣傳動，2013，（5）.

[3] 張定華.高壓配網直掛式電能質量混合補償技術及應用研究[D].中南大學，2011.

[4] 潘發君.配電網無功與諧波綜合補償原理及方法的研究[D].湖南大學，2007.endprint