电力系统谐波抑制和无功补偿装置

常 晓 王 霜

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 45000250002）

电力系统谐波（harmonic wave of power system），从严格的意义来讲，是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其中大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此，任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，在此谐波定义的基础上有了“分数谐波”“间谐波”“次谐波”等说法；同时，大量非线性的负荷接入电网也导致了电网的功率因数降低，即电压和电流不同相[1]。

配电系统所跨区域很广，具有分布性；其次，配电系统中负荷通过供电线路互相联接在一起，具有强耦合性。谐波使介质的电场强度增大，电缆的使用寿命缩短，事故概率和修理费用增加。例如若变压器中注入高次谐波，其附加的铜耗和铁耗会增加[2]。电力系统中的谐波会给供电系统、用户带来直接或间接的危害，影响公用电网的安全运行。

利用谐波滤除和无功补偿装置来滤除电力系统谐波和补偿无功，装置发展脉络随着电力电子器件的研制和发展不断更新。无功补偿主要是滤除谐波的，只有极个别谐波抑制装置有补偿无功的作用。

1 谐波抑制和无功补偿的发展脉络

1.1 就地电容补偿

最早可采用调整同步发电机励磁电流的方法来补偿无功，也可以使用同步调相机等装置来进行无功补偿，但是由于并联电容器经济简单、方便灵活，早期使用很广泛，但是其补偿不足时会与电网中的谐波产生相互影响。

电容集中补偿，电网无功负荷的电容器补偿方式，多是在高压10kV电网侧集中地投入大容量的电容器组，或者是在车间、变电所、配电室的低压侧集中地投入大容量的电容器，这些集中的电容器组，虽然实现了无功负荷的补偿，但是由于大量的、分散的无功负荷的存在，以集中电容器组的补偿方式，其安装地点和运行管理，很难取得最佳方案而获得好的经济效果。也就是说，集中的电容器组，虽然补偿了电网的无功功率，但是电网中仍然还要输送无功，存在着线路损失。

另外，还有单片机结合其他元件制成的印刷版控制电容器的投切。此类并联电容器可以提供超前的无功功率，可就地补偿，也可装设于降压变压器所内。

1.2 从电容补偿发展到LC补偿。

LC滤波装置也称为无源滤波器，是由滤波电容器和电抗器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起到滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。但是，此类滤波装置也存在损耗大等问题。

例如，滤波装置利用电容器和电抗器串联构成无功补偿的主体设备。滤波装置中调谐电抗器的电感量和品质因数均连续可调，取消了串联的附加电阻器，上述特点使该滤波装置具有低损耗和最佳调节优点。该滤波装置的电抗器，是由顶部的短路环D1、上部线圈L1、下部线圈L2、底座D2支撑及调整螺母螺杆、绝缘块等组成。由旋动支撑及调整螺杆上的螺母可使短路环D1作上下移动以实现品质因数的连续可调，连续调节范围0～13%，可使两线圈绕组L1、L2之间的距离作上下移动，从而实现电感的无级连续可调。

连续可调存在范围限制，有时候不能随时跟踪负荷的无功需求变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。

此后，出现了电抗器或电容器与晶闸管配合使用的无功补偿装置，例如，晶闸管控制电抗器TCR，晶闸管投切电容器TSC，以及二者的混合装置等。

1.3 有源电力滤波器APF补偿

有源电力滤波器是一种能够动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，能够对大小和频率都变化的无功进行补偿。

传统的抑制和消除纹波噪声的方法是采用由若干电阻、电感和电容等无源器件构成的滤波电路，这被称为无源滤波方法。随着电力电子技术的发展，各种包含电力电子器件的装置被应用于电力滤波，这种滤波方法被称为有源电力滤波。有源电力滤波能够克服传统无源滤波参数不准确、无法适应频率和负载的变化、易与系统发生振荡等缺点。并且，有源电力滤波方法能够达到更好的滤波性能。在功率较大的场合，采用有源电力滤波装置还可以减少占地面积，降低滤波成本。

伴随着电力电子器件的发展，换流器由晶闸管发展到IGBT，控制方法也更加多样，电力电子器件的控制方法有PWM、SPWM、SVPWM、NLC等，控制芯片集成度也越来越高。与此同时，还出现了混合有源电力滤波器，将无源电力滤波器和有源电力滤波器结合起来使用，不再赘述。

同期还有利用静止无功补偿器SVC、SVG给电力系统提供无功补偿的装置，其换流器件也是逐渐由晶闸管向IGBT发展。

采用IGBT作为换流器件的静止无功发生器SVG，即静止同步补偿器STATCOM，用于配电网的DSTATCOM，都是目前利用IGBT作为换流器件补偿无功的典型装置。

1.4 综合的有功无功补偿装置

随着电力电子技术的进一步发展，综合的有功无功补偿装置开始出现，其具有同时调整系统有功和补偿无功的功能。

UPQC作为功能强大的电能质量综合补偿装置，其串联侧具有动态电压恢复器DVR、动态不间断电源DUPS功能，并联侧具有静止无功发生器SVG、有源电力滤波器APF功能。UPQC的串联和并联单元可独立运行实现各自功能，也可联合运行实现统一的综合功能。

利用新能源发电的微网系统，通过电力电子变换器件例如IGBT并网时，在并网发电的同时，控制新能源实现对电力系统的无功补偿。

光伏（photovoltaic，PV）并网充电系统的工作原理是将光伏电池阵列产生的直流电经过并网变流器逆变成交流电，除了给本地交流负载正常供电以外，还可以将多余的电力反馈给三相交流电网或直接将产生的电能全部馈入三相交流电网。光伏并网系统具有APF的功能，在并网发电给负载供电的同时，也对光伏并网供电系统中的谐波进行补偿。同时，电力电子器件也朝着模块化发展，这为大容量大功率的无功补偿装置提供了更加广阔的发展空间。

2 结语

目前，随着电力电子器件的不断发展，对于电力系统的谐波抑制和无功补偿的研究，除了探索新的电路拓扑外，对于变流器控制方法的研究、谐波检测方法的研究是非常重要的部分，主要研究如何通过谐波检测方法和变流器控制方法的配合提高变流器的稳态和动态性能，并且尽可能地降低成本、提高效率，并提高变流器的电磁兼容性能。另外，随着电力电子技术、柔性输配电系统的不断发展，模块化集成度更高的电力系统谐波抑制和无功补偿装置也在快速地发展。

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]Hingorani N G. Introducing Custom Power.IEEE Spectrum，1995，32（6）：41-48.