国内无功谐波动态补偿探讨

齐军亮

（开滦集团唐山矿业公司机电科，河北 唐山 063000）

1 国内供电系统现状

在电力系统中，理想条件下，希望电流和电压均为正弦波，所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。但当正弦电压加到非线性电路（如电力电子元件）上时，电流就会变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，从而造成负载侧的电压波形也变成非正弦波。由于各种原因，从而使现在国内的电力系统中都存在一定的谐波。

2 谐波的危害

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

2.1 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

2.2 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

2.3 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。

2.4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

2.5 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

3 解决方法

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1。一般情况下大都采用装设有源动态无功谐波补偿装置。

4 有源动态无功补偿器的组成和工作原理

4.1 有源动态无功谐波补偿装置组成

有源动态无功补偿装置有四部分构成

控制柜——控制装置的运行、保护和监测；

功率柜——提供动态无功功率和谐波电流通路的大功率电力电子装置，采用链式换流器，也简称为换流链；功率柜冷却装置——采用强迫风冷装置；连接电抗器——将装置接入系统的连接电抗器；启动柜——隔离开关、真空断路器、限流电阻、避雷器、电流互感器等。

4.2 有源动态无功和谐波补偿装置的工作原理

有源动态无功和谐波补偿装置（又称为SVG）是由链式静止同步补偿和固定电容器共同构成的，按各自容量的不同可组合成各种补偿范围的有源动态无功和谐波补偿装置。其中的SVG不同于传统SVC的阻抗补偿（靠电容器和电抗器发出和吸收无功）原理，而是基于电压源自换相换流器，原理上等效于静止的同步调相机，但性能上又远优于调相机和SVC。

由于SVG通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器接到电网上。连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流，因此改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于系统的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。SVG可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。

5 有缘动态无功补偿装置（SVG）的优点

5.1 启动冲击小

SVG部分采用自励方式起动，启动快速且冲击电流限制在很小的幅值。

5.2 可以任意组合的连续补偿范围

SVG可以从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功，和固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿。

5.3 动态响应速度快

SVG具有10ms以内的快速输出无功特性，因而对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果，对闪变有更好的抑制效果；而传统的SVC响应时间一般在40ms-60ms（太快可能引起电抗和电容器产生振荡）。

5.4 忧异的谐波输出特性

SVG既可以输出近似正弦波的无功电流（不含谐波，用于电网补偿），也可以输出设定次数的谐波电流（用于负荷谐波滤波），即SVG输出电流是完全有源可控的，完全满足用户的需要；而SVC产生大量不可控的谐波电流，又附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。所以SVC的滤波压力比较大，它要滤除本身的谐波，还要滤系统的谐波电流，它产生的谐波与系统的谐波相当，而且有3次谐波，对系统不利。

5.5 占地面积小

SVG以半导体功率器件构成的逆变器为核心，使用直流电容器储能，无SVC中体积庞大的滤波支路和电抗器，安装尺寸一般只有SVC的1/5-1/3。

5.6 高效率(节能)

SVG采用新型低损耗IGBT功率器件，直接输出电压范围1kV－35Kv,省去了连接变压器，装置效率可达99%以上；而由于损耗曲线特性优于SVC（SVC空载时损耗达到最大），SVG的等效运行损耗一般只有SVC的1/3-1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。

5.7 超强补偿能力

SVG输出电流不依赖于系统电压，表现为恒流源特性，在系统电压跌落到20%时仍可以输出额定无功电流，具有更宽的运行范围；而SVC输出电流与系统电压成正比下降，使得达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小20%－30%。通过对固定电容器组的综合控制，可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求。

5.8 高可靠性

SVG采用N+1或N+2冗余主电路拓扑结构，一个（或两个）链节单元损坏后仍可继续满负荷运行。

5.9 多种补偿功能

抑制电力系统过电压，改善系统电压稳定性；提高系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止发生暂态电压崩溃；动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限；阻尼电力系统功率振荡 ；在负荷侧，能抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高负荷功率因数、滤除谐波。

6 SVG的主要功能

6.1 控制及保护系统功能

控制系统由主控机箱、PLC、触摸屏、相配套的软件等几个主要部分组成。各部分应实现以下功能：

触摸屏：人机界面；

PLC：控制触摸屏的显示与操作。

主控机箱：具有全数字控制器，由各功能板卡组成，采用分相瞬时电流控制策略。

6.2 通讯功能

控制器应具有和上位机通讯的标准化接口。采用通讯管理机实现就地和远方通讯。同时控制具备与变电站综合自动化联网的功能，高压开关柜的合闸、分闸及状态监控在后台保护上实现。

6.3 保护功能

成套装置应采用综合保护策略，以提高装置可靠性；保护保护类型如下：母线过压、母线欠压、过流、速断、直流过压、电力电子元件损坏检测保护、丢脉冲、触发异常、过压击穿、控制系统电源异常、丢同步电源、阀室超温、保护输入接口、保护输出接口控制和系统电源异常等保护功能。

7 结论

随着中国社会经济的发展，对供电系统的质量会越来越高，SVG必将会大量的投入使用。

[1]周国威，李欣.配电网无功补偿及补偿效益分析[J].电力电容器，2005-03-30.