電力系統諧波抑制和無功補償裝置

常 曉 王 霜

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 45000250002）

電力系統諧波（harmonic wave of power system），從嚴格的意義來講，是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其中大于基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，在此諧波定義的基礎上有了“分數諧波”“間諧波”“次諧波”等說法；同時，大量非線性的負荷接入電網也導致了電網的功率因數降低，即電壓和電流不同相[1]。

配電系統所跨區域很廣，具有分布性；其次，配電系統中負荷通過供電線路互相聯接在一起，具有強耦合性。諧波使介質的電場強度增大，電纜的使用壽命縮短，事故概率和修理費用增加。例如若變壓器中注入高次諧波，其附加的銅耗和鐵耗會增加[2]。電力系統中的諧波會給供電系統、用戶帶來直接或間接的危害，影響公用電網的安全運行。

利用諧波濾除和無功補償裝置來濾除電力系統諧波和補償無功，裝置發展脈絡隨著電力電子器件的研制和發展不斷更新。無功補償主要是濾除諧波的，只有極個別諧波抑制裝置有補償無功的作用。

1 諧波抑制和無功補償的發展脈絡

1.1 就地電容補償

最早可采用調整同步發電機勵磁電流的方法來補償無功，也可以使用同步調相機等裝置來進行無功補償，但是由于并聯電容器經濟簡單、方便靈活，早期使用很廣泛，但是其補償不足時會與電網中的諧波產生相互影響。

電容集中補償，電網無功負荷的電容器補償方式，多是在高壓10kV電網側集中地投入大容量的電容器組，或者是在車間、變電所、配電室的低壓側集中地投入大容量的電容器，這些集中的電容器組，雖然實現了無功負荷的補償，但是由于大量的、分散的無功負荷的存在，以集中電容器組的補償方式，其安裝地點和運行管理，很難取得最佳方案而獲得好的經濟效果。也就是說，集中的電容器組，雖然補償了電網的無功功率，但是電網中仍然還要輸送無功，存在著線路損失。

另外，還有單片機結合其他元件制成的印刷版控制電容器的投切。此類并聯電容器可以提供超前的無功功率，可就地補償，也可裝設于降壓變壓器所內。

1.2 從電容補償發展到LC補償。

LC濾波裝置也稱為無源濾波器，是由濾波電容器和電抗器適當組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯，除起到濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。但是，此類濾波裝置也存在損耗大等問題。

例如，濾波裝置利用電容器和電抗器串聯構成無功補償的主體設備。濾波裝置中調諧電抗器的電感量和品質因數均連續可調，取消了串聯的附加電阻器，上述特點使該濾波裝置具有低損耗和最佳調節優點。該濾波裝置的電抗器，是由頂部的短路環D1、上部線圈L1、下部線圈L2、底座D2支撐及調整螺母螺桿、絕緣塊等組成。由旋動支撐及調整螺桿上的螺母可使短路環D1作上下移動以實現品質因數的連續可調，連續調節范圍0～13%，可使兩線圈繞組L1、L2之間的距離作上下移動，從而實現電感的無級連續可調。

連續可調存在范圍限制，有時候不能隨時跟蹤負荷的無功需求變化，也就是不能實現對無功功率的動態補償。

此后，出現了電抗器或電容器與晶閘管配合使用的無功補償裝置，例如，晶閘管控制電抗器TCR，晶閘管投切電容器TSC，以及二者的混合裝置等。

1.3 有源電力濾波器APF補償

有源電力濾波器是一種能夠動態抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，能夠對大小和頻率都變化的無功進行補償。

傳統的抑制和消除紋波噪聲的方法是采用由若干電阻、電感和電容等無源器件構成的濾波電路，這被稱為無源濾波方法。隨著電力電子技術的發展，各種包含電力電子器件的裝置被應用于電力濾波，這種濾波方法被稱為有源電力濾波。有源電力濾波能夠克服傳統無源濾波參數不準確、無法適應頻率和負載的變化、易與系統發生振蕩等缺點。并且，有源電力濾波方法能夠達到更好的濾波性能。在功率較大的場合，采用有源電力濾波裝置還可以減少占地面積，降低濾波成本。

伴隨著電力電子器件的發展，換流器由晶閘管發展到IGBT，控制方法也更加多樣，電力電子器件的控制方法有PWM、SPWM、SVPWM、NLC等，控制芯片集成度也越來越高。與此同時，還出現了混合有源電力濾波器，將無源電力濾波器和有源電力濾波器結合起來使用，不再贅述。

同期還有利用靜止無功補償器SVC、SVG給電力系統提供無功補償的裝置，其換流器件也是逐漸由晶閘管向IGBT發展。

采用IGBT作為換流器件的靜止無功發生器SVG，即靜止同步補償器STATCOM，用于配電網的DSTATCOM，都是目前利用IGBT作為換流器件補償無功的典型裝置。

1.4 綜合的有功無功補償裝置

隨著電力電子技術的進一步發展，綜合的有功無功補償裝置開始出現，其具有同時調整系統有功和補償無功的功能。

UPQC作為功能強大的電能質量綜合補償裝置，其串聯側具有動態電壓恢復器DVR、動態不間斷電源DUPS功能，并聯側具有靜止無功發生器SVG、有源電力濾波器APF功能。UPQC的串聯和并聯單元可獨立運行實現各自功能，也可聯合運行實現統一的綜合功能。

利用新能源發電的微網系統，通過電力電子變換器件例如IGBT并網時，在并網發電的同時，控制新能源實現對電力系統的無功補償。

光伏（photovoltaic，PV）并網充電系統的工作原理是將光伏電池陣列產生的直流電經過并網變流器逆變成交流電，除了給本地交流負載正常供電以外，還可以將多余的電力反饋給三相交流電網或直接將產生的電能全部饋入三相交流電網。光伏并網系統具有APF的功能，在并網發電給負載供電的同時，也對光伏并網供電系統中的諧波進行補償。同時，電力電子器件也朝著模塊化發展，這為大容量大功率的無功補償裝置提供了更加廣闊的發展空間。

2 結語

目前，隨著電力電子器件的不斷發展，對于電力系統的諧波抑制和無功補償的研究，除了探索新的電路拓撲外，對于變流器控制方法的研究、諧波檢測方法的研究是非常重要的部分，主要研究如何通過諧波檢測方法和變流器控制方法的配合提高變流器的穩態和動態性能，并且盡可能地降低成本、提高效率，并提高變流器的電磁兼容性能。另外，隨著電力電子技術、柔性輸配電系統的不斷發展，模塊化集成度更高的電力系統諧波抑制和無功補償裝置也在快速地發展。

[1]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]Hingorani N G. Introducing Custom Power.IEEE Spectrum，1995，32（6）：41-48.