配电网的动态无功补偿与谐波抑制

李俊秀 兰州石化职业技术学院电子电气工程系，甘肃 兰州 730060

配电网的动态无功补偿与谐波抑制

李俊秀 兰州石化职业技术学院电子电气工程系，甘肃 兰州 730060

针对电能质量由于谐波污染日趋下降的现状，阐述了几种抑制谐波的技术措施，重点研究了动态无功补偿与消波技术的应用，指出无功补偿与谐波治理同时进行，才能提高系统的电能质量。

配电网；电能质量；动态补偿；谐波抑制

引言

20世纪80年代以来，随着半导体变流技术的快速发展，基于电力电子技术的设备在企业得到了广泛应用，尤其是大容量变流装置的使用，导致配电网中电压和电流波形发生畸变；加之直流输电、电气化铁路、冲击性负荷的不断增多，致使电能质量日趋下降，给电力系统的正常运行带来了一系列的问题，其中最为严重的就是功率因数降低、电磁干扰和谐波污染三大公害。但在另一方面，大量基于微处理器的智能设备，它们对电网中的谐波特别敏感，对电能质量的要求越来越高，使得电能质量成为现代电网建设亟待解决的问题。因此，针对各种谐波源产生谐波的机理，合理选择抑制谐波的手段，已成为现代智能电网建设和系统安全运行的重要课题。

1 谐波的产生及危害

谐波是由谐波电流源产生的。当正弦电压施加于非线性负荷时，电流变为非正弦波，由于负荷与电网相连，非正弦电流注入电网，在电网阻抗上产生压降形成非正弦波，使电压或电流波形发生了畸变。因此，非线性负荷就成了电网的谐波源。

配电网中的谐波源可分为三类：①半导体非线性负载，如各种整流装置、交直流换流装置、PWM变频器、相控调制变频器以及节能和控制用的电力电子设备等。②磁饱和非线性负载，如变压器、电抗器、发电机等。③电弧非线性负载，如各种气体放电灯、冶金电弧炉、直流电弧焊等。在电力电子装置大量应用之前，主要的谐波源是②、③类，而在电力电子设备大量应用的今天，第①类便成为最主要的谐波源。

谐波是电网的公害。谐波电流的存在，不仅会引起电压波形畸变，而且会对电网和电气设备产生多方面的危害。

2 配电网谐波的抑制

按照GB/T 14549-1993《电能质量·公用电网谐波》的规定：对公用10kV配电网，奇次谐波电压含有率的限值为3.2%，偶次谐波电压含有率的限值为1.6%，电压总谐波畸变率的限值为4.0%；注入电网公共连接点的谐波电流允许值为20A（对3次、5次谐波）。将系统中的谐波限制在允许的范围内，就能保证电网及设备正常运行。因此，应针对谐波产生的机理，采取合理、有效的技术措施，对电网中的谐波加以抑制。

2.1 减小谐波源

整流装置是电网的主要谐波源。对谐波源本身采取措施，是减少谐波的有效途径。

（1）三相整流变压器采用Yd或Dy接线 由于3次及其整数倍次的谐波电流在三角形连接绕组内形成环流，不会在星形连接的绕组内出现3次及其整数倍次的谐波电流，所以采用Yd或Dy接线的三相整流变压器，能有效抑制3次及其整数倍次的谐波电流注入电网。

（2）增加整流装置的脉冲数 整流装置的脉冲数越多，其次数高的谐波被消去的也越多。分析与测试表明，三相六脉冲全波整流装置出现的5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%；如将两组六脉冲整流装置分别接入两台接线方式为Yy和Yd的整流变压器，即将两组6脉冲整流电路变成12脉冲整流电路，则出现的5次谐波电流会降为基波电流的4.5%，7次谐波电流将降为基波电流的3%。

2.2 装设滤波器

在产生谐波源的设备处安装滤波装置，吸收谐波电流，是防止谐波电流注入电网的关键技术。

（1）装设无源交流滤波器 在大容量静止谐波源与电网连接处，装设无源交流滤波器，利用R、L、C电路串联谐振的原理，使滤波器的各组调谐回路分别对特定谐波进行调谐发生串联谐振，即对特定频率的谐波呈现零阻抗，从而吸收谐波电流，以阻止该次谐波注入电网。交流滤波器对基波呈现容性，还兼有无功补偿的作用。交流滤波器因其结构简单、投资少、运行可靠、维护方便而得到广泛的应用。无源交流滤波器不足之处是滤波效果易受电网参数的影响。

（2）装设有源电力滤波器 有源电力滤波器如图1所示，是一种基于动态无功补偿和谐波抑制的新型电力电子装置，不仅能调节无功功率，而且对消除电网谐波、稳定系统电压、抑制电压闪变、平衡三相负荷、抑制系统振荡有独特作用。

图1 动态无功补偿电路

由图1可知，电容与可控电抗器并联支路的等效电纳B为：

当α=180°时，B=ωC，并联支路呈容性，可向电网提供超前无功；当α=90

图2 等效阻抗曲线

动态无功补偿电路可工作在晶闸管关断（触发角α=180°）、容抗调节（αcrt<α <180°）、感抗调节（90°<α<αcrt）和小感抗调节（晶闸管全导通）等不同的工作状态，以自动适应负载变化和系统调谐的需要，其等效阻抗曲线如图2所示，αcrt为电路的并联谐振点。一般情况下，电路为容抗调节模式，触发角的范围为αcrt<α<180°。如果要调节系统中的感性无功，也可以令其工作在感抗调节模式，其触发角的范围为90°<α<αcrt。

有源电力滤波器的主要特点是动态特性优良，具有小于1ms的响应时间，三相补偿谐波电流的次数可达50次，还能消除中性线上3次谐波电流及其他零序性质的谐波，在进行无功补偿又消除谐波的同时，能将功率因数补偿到1。有源电力滤波器适用于动态非线性负荷，如电弧炉、电气化铁路和轧钢设备等。

2.3 抑制电容器组对谐波的放大

在电网中，并联电容器组用于补偿无功功率，但当系统存在谐波时，在一定的参数配合下，电容器组会对谐波电流放大，严重时发生谐振，危及电容器本身及附近其他电气设备的安全。解决问题的办法是在电容器回路中串联电抗器，为了取得最佳的效果，需要将无功补偿与谐波抑制同时考虑。

3 结束语

提高系统功率因数，抑制电网谐波污染，确保系统电能质量，是电力部门和用户需要共同努力解决的问题。各级电力部门应根据国家颁发的标准和规定，对电网进行严格的监督和管理；工矿企业作为电力用户，在设计、制造和使用谐波源设备时，应同时考虑无功补偿与谐波治理，从实际出发，因地制宜，采用合理的手段和先进的技术，提高系统功率因数，减少谐波电流注入电网。只有通过各方的共同努力，才能保证电力系统的电能质量。

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李俊秀(1956-)，男，甘肃镇原县人，本科，副教授，主要从事电气自动化技术的教学与研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.003