配網(wǎng)線路中無功與諧波的綜合治理

舒正發(fā)

摘要：在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)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(shí)可以積極優(yōu)化配網(wǎng)線路中的并聯(lián)電容器以及串聯(lián)電抗器的參數(shù)，采用綜合的補(bǔ)償技術(shù)，提高配網(wǎng)線路中的供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；無功功率；補(bǔ)償技術(shù)；配網(wǎng)線路

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

新的世紀(jì)，社會(huì)科學(xué)技術(shù)獲得了快速的發(fā)展與進(jìn)步，而電子系統(tǒng)技術(shù)也不斷向前發(fā)展。目前不同的新型電氣設(shè)備得到廣泛地應(yīng)用，這些電氣設(shè)備具有高效節(jié)能的顯著特點(diǎn)，因此受到人民群眾的歡迎。但是隨著家用電器的大規(guī)模使用，導(dǎo)致供電系統(tǒng)中非線性電氣設(shè)備與負(fù)荷產(chǎn)生很多的高次諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，因此直接使供電系統(tǒng)中的電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，同時(shí)功率因數(shù)也明顯降低，這樣會(huì)使供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)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(wǎng)線路中的無功功率與諧波的危害以及制定相應(yīng)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(wǎng)線路中的無功功率與諧波的產(chǎn)生

1.1 家用電器在工作時(shí)產(chǎn)生無功功率與諧波

現(xiàn)在配網(wǎng)線路中很多家用電器呈現(xiàn)感性，如常見的空調(diào)、熒光燈、異步電動(dòng)機(jī)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整流器等。且諸如電動(dòng)機(jī)、熒光燈等負(fù)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(yùn)行，這是由其工作原理決定的。而變頻器、整流器、電子穩(wěn)壓電源等用電設(shè)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(shí)產(chǎn)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(wǎng)線路中產(chǎn)生大量的無功功率與諧波電流，嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的供電效率。

1.2 公用電網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生無功功率與諧波

目前很多公用供電系統(tǒng)中利用電力電子設(shè)備，如電焊機(jī)、不同的大型變流器以及變頻器等，而且發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)由于其周圍的磁場作用也會(huì)產(chǎn)生非正弦的電壓，這樣也會(huì)生產(chǎn)諧波，隨后就會(huì)進(jìn)入配網(wǎng)線路中，同樣危害著供電系統(tǒng)的工作。這些諧波有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響工廠的正常生產(chǎn)工作的進(jìn)行，若供電系統(tǒng)中的大型整流器設(shè)備沒有進(jìn)行消除諧波的處理，那么其諧波電流可能導(dǎo)致工廠電動(dòng)機(jī)的損壞，甚至引起生產(chǎn)安全事故。所以公用電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率與諧波會(huì)嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的正常工作。

1.3 無功功率與諧波的定義

根據(jù)經(jīng)典電路理論可以知道，在交流電網(wǎng)中存在有有功功率、無功功率與視在功率，計(jì)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(guān)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(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)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(chǔ)能元件的功率，在單相供電系統(tǒng)中無功功率在電感與電容反復(fù)交換，而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的三相電路中，無功功率是具有儲(chǔ)能特性的負(fù)載在三相之間進(jìn)行能量的相互交換，但是這些儲(chǔ)能元件不能消耗功率，因此任何時(shí)候三相電路中的無功功率之和為零。

2 抑制無功補(bǔ)償與諧波的措施

2.1 抑制無功功率補(bǔ)償?shù)拇胧?/p>

現(xiàn)在抑制電力系統(tǒng)中的無功功率的措施很多，通常利用同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)以及并聯(lián)電容器與靜止無功補(bǔ)償設(shè)備等。由于在很多供電系統(tǒng)中含有很多的阻感型負(fù)載，因此可知系統(tǒng)中的總等效負(fù)載會(huì)呈現(xiàn)感性，所以可以通過利用并聯(lián)電容器的方法補(bǔ)償無功功率，從而有效地提高供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)。在電力系統(tǒng)中并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的原理圖以及向量圖如下圖1

所示：

圖1 并聯(lián)電容器補(bǔ)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(lián)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(gè)系統(tǒng)中的功率因數(shù)。而且利用電容器補(bǔ)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(yīng)用。

2.2 抑制諧波的措施

通?？梢岳脽o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(shù)以及利用高功率因數(shù)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，便其得到廣泛的應(yīng)用。濾除諧波的基本原理是為電力系統(tǒng)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(tǒng)中保留基波，從而有效地消除電力系統(tǒng)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(dāng)?shù)碾姼小㈦娙菀约半娮铇?gòu)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(diào)諧。在調(diào)諧頻率上LC濾波器呈現(xiàn)低阻抗的特點(diǎn)，而在含有諧波的配網(wǎng)線路中，電容器的阻抗呈現(xiàn)容性，這樣就會(huì)與配電網(wǎng)線路中的諧波作用，而在并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振時(shí)，電容器會(huì)對諧波電流進(jìn)行放大，這樣很容易導(dǎo)致電容器以及其他電氣設(shè)備上的功率過大而損壞。因此要利用LC電路調(diào)諧濾波，保證供電的安全。

3 抑制無功補(bǔ)償與諧波的發(fā)展方向

雖然傳統(tǒng)的抑制無功功率與諧波的措施很多，但是通常都是靜態(tài)補(bǔ)償?shù)拇胧?，因此若配網(wǎng)線路中的各種參數(shù)確定以后，就不能隨時(shí)改變，而在供電系統(tǒng)中由于負(fù)載是隨著用戶的用電情況不斷發(fā)生變化，那么配網(wǎng)線路中的感性負(fù)載也是變化的，但是傳統(tǒng)的補(bǔ)償措施不能隨著變化而及時(shí)變化，因此不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。但是在新的時(shí)期，配網(wǎng)線路中的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償需求越來越重要，因此有必要積極研究配網(wǎng)線路中的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男麓胧?，改進(jìn)傳統(tǒng)補(bǔ)償方式。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式的濾波頻率可調(diào)性比較差，而且補(bǔ)償?shù)男Ч艿脚渚W(wǎng)線路中的阻抗以及運(yùn)行狀態(tài)的影響比較大，導(dǎo)致系統(tǒng)容易出現(xiàn)并聯(lián)諧振的情況，可能導(dǎo)致用電器出現(xiàn)過載的現(xiàn)象，因此補(bǔ)償效果可能很不理想，有必要研究新的補(bǔ)償?shù)姆绞?。在新的世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在很多科研人員正在研究有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)目赡苄?，將來這種補(bǔ)償措施可以利用實(shí)時(shí)檢測配網(wǎng)線路中的電壓電流經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理之后來發(fā)出補(bǔ)償控制的指令，從而控制配網(wǎng)線路產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流與系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)濾波諧波，另一方面還可以實(shí)現(xiàn)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此有源電力濾波器補(bǔ)償是將來抑制無功補(bǔ)償與諧波的重要措施與方法。在不同的配網(wǎng)線路中，還要根據(jù)具體情況，結(jié)合傳統(tǒng)補(bǔ)償方式，采用科學(xué)合理的補(bǔ)償措施，使之達(dá)到好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。同時(shí)相關(guān)科研單位要抓住機(jī)遇，發(fā)展新的可用的方式，促進(jìn)電力系統(tǒng)的發(fā)展。

4 結(jié)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(yán)重，這些日益影響工農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)，因此為了保證國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)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(shí)可以積極優(yōu)化配網(wǎng)線路中的并聯(lián)電容器以及串聯(lián)電抗器的參數(shù)，采用綜合的補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)積極改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)，這樣才能提高配網(wǎng)線路中的供電質(zhì)量。

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