配電網(wǎng)的動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波抑制

李俊秀 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060

配電網(wǎng)的動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波抑制

李俊秀 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060

針對電能質(zhì)量由于諧波污染日趨下降的現(xiàn)狀，闡述了幾種抑制諧波的技術(shù)措施，重點(diǎn)研究了動態(tài)無功補(bǔ)償與消波技術(shù)的應(yīng)用，指出無功補(bǔ)償與諧波治理同時(shí)進(jìn)行，才能提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

配電網(wǎng)；電能質(zhì)量；動態(tài)補(bǔ)償；諧波抑制

引言

20世紀(jì)80年代以來，隨著半導(dǎo)體變流技術(shù)的快速發(fā)展，基于電力電子技術(shù)的設(shè)備在企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是大容量變流裝置的使用，導(dǎo)致配電網(wǎng)中電壓和電流波形發(fā)生畸變；加之直流輸電、電氣化鐵路、沖擊性負(fù)荷的不斷增多，致使電能質(zhì)量日趨下降，給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了一系列的問題，其中最為嚴(yán)重的就是功率因數(shù)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(shè)備，它們對電網(wǎng)中的諧波特別敏感，對電能質(zhì)量的要求越來越高，使得電能質(zhì)量成為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)亟待解決的問題。因此，針對各種諧波源產(chǎn)生諧波的機(jī)理，合理選擇抑制諧波的手段，已成為現(xiàn)代智能電網(wǎng)建設(shè)和系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要課題。

1 諧波的產(chǎn)生及危害

諧波是由諧波電流源產(chǎn)生的。當(dāng)正弦電壓施加于非線性負(fù)荷時(shí)，電流變?yōu)榉钦也?，由于?fù)荷與電網(wǎng)相連，非正弦電流注入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降形成非正弦波，使電壓或電流波形發(fā)生了畸變。因此，非線性負(fù)荷就成了電網(wǎng)的諧波源。

配電網(wǎng)中的諧波源可分為三類：①半導(dǎo)體非線性負(fù)載，如各種整流裝置、交直流換流裝置、PWM變頻器、相控調(diào)制變頻器以及節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備等。②磁飽和非線性負(fù)載，如變壓器、電抗器、發(fā)電機(jī)等。③電弧非線性負(fù)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(yīng)用之前，主要的諧波源是②、③類，而在電力電子設(shè)備大量應(yīng)用的今天，第①類便成為最主要的諧波源。

諧波是電網(wǎng)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(wǎng)和電氣設(shè)備產(chǎn)生多方面的危害。

2 配電網(wǎng)諧波的抑制

按照GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定：對公用10kV配電網(wǎng)，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(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值為20A（對3次、5次諧波）。將系統(tǒng)中的諧波限制在允許的范圍內(nèi)，就能保證電網(wǎng)及設(shè)備正常運(yùn)行。因此，應(yīng)針對諧波產(chǎn)生的機(jī)理，采取合理、有效的技術(shù)措施，對電網(wǎng)中的諧波加以抑制。

2.1 減小諧波源

整流裝置是電網(wǎng)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(shù)倍次的諧波電流在三角形連接繞組內(nèi)形成環(huán)流，不會在星形連接的繞組內(nèi)出現(xiàn)3次及其整數(shù)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(shù)倍次的諧波電流注入電網(wǎng)。

（2）增加整流裝置的脈沖數(shù) 整流裝置的脈沖數(shù)越多，其次數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)濾波器

在產(chǎn)生諧波源的設(shè)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(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）裝設(shè)無源交流濾波器 在大容量靜止諧波源與電網(wǎng)連接處，裝設(shè)無源交流濾波器，利用R、L、C電路串聯(lián)諧振的原理，使濾波器的各組調(diào)諧回路分別對特定諧波進(jìn)行調(diào)諧發(fā)生串聯(lián)諧振，即對特定頻率的諧波呈現(xiàn)零阻抗，從而吸收諧波電流，以阻止該次諧波注入電網(wǎng)。交流濾波器對基波呈現(xiàn)容性，還兼有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。交流濾波器因其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便而得到廣泛的應(yīng)用。無源交流濾波器不足之處是濾波效果易受電網(wǎng)參數(shù)的影響。

（2）裝設(shè)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(tài)無功補(bǔ)償和諧波抑制的新型電力電子裝置，不僅能調(diào)節(jié)無功功率，而且對消除電網(wǎng)諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制電壓閃變、平衡三相負(fù)荷、抑制系統(tǒng)振蕩有獨(dú)特作用。

圖1 動態(tài)無功補(bǔ)償電路

由圖1可知，電容與可控電抗器并聯(lián)支路的等效電納B為：

當(dāng)α=180°時(shí)，B=ωC，并聯(lián)支路呈容性，可向電網(wǎng)提供超前無功；當(dāng)α=90

圖2 等效阻抗曲線

動態(tài)無功補(bǔ)償電路可工作在晶閘管關(guān)斷（觸發(fā)角α=180°）、容抗調(diào)節(jié)（αcrt<α <180°）、感抗調(diào)節(jié)（90°<α<αcrt）和小感抗調(diào)節(jié)（晶閘管全導(dǎo)通）等不同的工作狀態(tài)，以自動適應(yīng)負(fù)載變化和系統(tǒng)調(diào)諧的需要，其等效阻抗曲線如圖2所示，αcrt為電路的并聯(lián)諧振點(diǎn)。一般情況下，電路為容抗調(diào)節(jié)模式，觸發(fā)角的范圍為αcrt<α<180°。如果要調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的感性無功，也可以令其工作在感抗調(diào)節(jié)模式，其觸發(fā)角的范圍為90°<α<αcrt。

有源電力濾波器的主要特點(diǎn)是動態(tài)特性優(yōu)良，具有小于1ms的響應(yīng)時(shí)間，三相補(bǔ)償諧波電流的次數(shù)可達(dá)50次，還能消除中性線上3次諧波電流及其他零序性質(zhì)的諧波，在進(jìn)行無功補(bǔ)償又消除諧波的同時(shí)，能將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?。有源電力濾波器適用于動態(tài)非線性負(fù)荷，如電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼設(shè)備等。

2.3 抑制電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中，并聯(lián)電容器組用于補(bǔ)償無功功率，但當(dāng)系統(tǒng)存在諧波時(shí)，在一定的參數(shù)配合下，電容器組會對諧波電流放大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生諧振，危及電容器本身及附近其他電氣設(shè)備的安全。解決問題的辦法是在電容器回路中串聯(lián)電抗器，為了取得最佳的效果，需要將無功補(bǔ)償與諧波抑制同時(shí)考慮。

3 結(jié)束語

提高系統(tǒng)功率因數(shù)，抑制電網(wǎng)諧波污染，確保系統(tǒng)電能質(zhì)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(yīng)根據(jù)國家頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對電網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督和管理；工礦企業(yè)作為電力用戶，在設(shè)計(jì)、制造和使用諧波源設(shè)備時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮無功補(bǔ)償與諧波治理，從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，采用合理的手段和先進(jìn)的技術(shù)，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少諧波電流注入電網(wǎng)。只有通過各方的共同努力，才能保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國電力出版社.2006

[2]孫宏國，胡國文.高壓電力系統(tǒng)智能無功柔性補(bǔ)償技術(shù)的研究[J].高壓電器. 2010，（7）：8～10

[3]徐繼敏.電網(wǎng)的無功補(bǔ)償與諧波治理[J].電氣應(yīng)用.2008，27(13)：21～25

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.003