电网谐波治理和无功补偿技术的研究

电网谐波治理和无功补偿技术的研究

薛海龙王四海黄磊宁克印

国网安徽省电力公司阜阳供电公司安徽阜阳236000

摘要：随着电网规模的日益扩大，电网中各种电力电子设备的数量也日益增多，由此所带来的谐波污染和无功电流问题也更加严重，这造成了电能质量的下降。笔者结合自己的工作实践经验，对电网的谐波治理和无功补偿进行了探讨，以期对相关工作能够有所借鉴。

关键词：电网；谐波治理；无功补偿

一、谐波的影响及危害

1.1变压器。对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是;这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(仟瓦一小时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

1.2电力电缆。在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2Rac损耗增加。电缆中电流值增加了谐波电流值，使得电缆截面加大，造成浪费。

1.3电动机与发电机。谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。例如:人造纤维纺织业、电子行业和一些金属加工业。

1.4电子设备。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。

1.5开关和继电保护。像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。旧式低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱装置则根据电流的有效值(RMS)而动作。保护继电器对波形畸变之响应很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，可以认为目前在电网上一般的谐波畸变不会对继电器运行造成影响。

二、谐波治理与无功补偿的必要性

谐波和无功电流是造成当前电网污染的两个主要表现形式，但它们二者之前存在着密切的联系，导致谐波治理与无功补偿技术间也联系紧密，这种密切的关系可以表现为以下三点：

（1）如果电网中含有谐波，则无功功率的定义和谐波之间有着密切的联系，谐波在其本身造成影响的同时，也会对负载以及电网的无功功率产生影响；

（2）经过实践研究发现，当前电网中的各种主要谐波源的功率因数都较低，它们本身就要消耗大量的无功功率，谐波的产生与无功功率的消耗往往是在同一个设备上伴随发生；

（3）因为谐波产生和无功功率消耗之间的密切联系，使得很多设备在抑制谐波的同时也能起到对无功功率补偿的作用，如无源滤波器（Passivefilter）、有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）等等。此外，高功率因数整流器不仅能抑制谐波，还可以提高功率因数。

三、谐波治理原理

3.1基于动态消谐无功补偿技术的谐波治理

基于动态消谐无功补偿技术的谐波治理主要通过采用动态消谐无功补偿器（如图所示）来实现，而动态消谐无功补偿器则主要由主控单元、检测单元、投切执行单元和调谐电容器组成。其中，检测单元主要负责对电力系统中的电压值和电流值进行实时检测，并根据检测结果对系统所需的谐波成分、无功功率、电流以及电压的有效值等控制参量进行计算；主控单元负责根据检测结果进行逻辑判断，并根据判断结论向投切执行单元发出相应的控制指令；投切执行单元则根据主控单元发来的控制指令来对调谐电容器的投切加以控制；调谐电容器内含电抗器，它可以实现对负载无功功率的动态跟踪补偿。在动态消谐无功补偿器中，主控单元通过采用先进的零过度过程可以实现对调谐电容器的瞬时投入和切出，整个投切过程无暂态扰动，从而有效地确保了无功补偿的动态实时性。此外，采用动态消谐无功补偿器还可以有效避免涌流冲击和操作过电压的出现，从而有效降低了投切过程对晶闸管和电容器的电应力冲击。

3.2基于有源滤波器的谐波整治原理

与其他谐波治理装置相比，APF不仅可以实现对电力谐波的动态抑制和对系统无功功率的动态补偿，它还可以实现对三相不平衡的校正，是一种效果非常显著的新型电力电子装置。该装置主要由谐波检测环节、控制系统、主电路以及耦合变压器等四个部分构成。在该APF进行工作时，首先需要依靠检测环节对电网中的谐波进行检测，然后根据检测结果生成需要补偿的谐波参考值，最后由控制系统根据生成的参考值产生相应的脉冲，并由控制电路产生补偿电流或者电压跟踪已生成的参考值实施补偿。

四、无功补偿技术的主要应用方式

随着我国电网规模的日益扩大，其所面临的无功损耗问题也日益严重，如果不对其进行控制，则势必会对电能质量产生极大的影响。应用无功补偿技术不仅能够抑制谐波，而且还能降低电力设备的损耗，同时起到改善电能质量的目的。就目前电网中无功补偿技术的应用来看，大致包括以下几种：

4.1真空断路投切电容器。这种装置的优势是操作简单，而且使用成本较低，因而在当前各种无功补偿技术中来说，应用地也最为广泛。但在使用过程中，合闸时将可能引发比较高的电压产生，所以很容易造成装置损坏。此外，应用该设备时还需要对投切次数加以控制，如果投切次数过多，就可能会缩短设备的使用年限。

4.2可控饱和电抗器。利用该装置可以对回路电流进行改变，具体改变程度则视设备的饱和情况而定。通常来说，使用该装置可以使负载设备运行过程中产生的无功功率被感性电流所替代，以达到运行的平衡。采用可控饱和电抗器的优点是可以长期使用，补偿装置的寿命比较长，缺点是会造成较大的设备损坏，同时它还会产生较大的噪声污染。

4.3有源滤波器。在电力系统中，APF的使用主要是为了产生与谐波相反的电流，目的是与谐波互相抵消以达到无功补偿的目的。APF的应用不仅可以实现动态跟踪补偿，而且可以避免谐振问题的出现，缺点是APF的使用成本较高，难以在电网及各用电企业中进行广泛的推广和应用。

结束语

随着电网规模的日益扩大，电网中各种电力电子设备的数量也日益增多，由此所带来的谐波污染也进一步加剧，同时还消耗了大量的无功功率，导致电能质量越来越差。因此，为了提高电能质量，确保电力系统得以正常稳定运行，对电网谐波治理和无功补偿技术的研究还必须进一步深入。

参考文献

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