关于谐波抑制和无功补偿

1) 谐波问题及研究现状

　　电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压电流波形畸变。 1945年J.C.READ发表的有关整流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

　　到了20世纪50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。E.W.KIMBARK在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

　　我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等人1988年出版的《电力系统谐波》一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止等1994年出版的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了J.ARRILLAGA等的《电力系统谐波》一书，也在国内有较大影响。

　　谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护盒自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

　　谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子联通运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。

　　谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声日益高涨。目前，对地球环境的保护已经成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。

　　有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面：

　　(1) 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究;

　　(2) 谐波分析以及谐波影响和危害的分析;

　　(3) 谐波的补偿与抑制;

　　(4) 与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。

　　谐波分析包括谐波源分析和电力系统谐波分析。在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已居很次要的位置，各种电力电子装置成为最重要的谐波源。在电力电子装置的谐波分析中，对电容滤波整流电路等的研究还不充分。

　　电力系统的谐波分析是以电力系统为对象，当系统中有一个或多个谐波源时，就要计算和分析系统中各处的谐波电压和谐波电流的分布情况。高压直流输电工程的建立及静止无功补偿装置(SVC)的应用有理地推动了这方面研究工作的进展。目前这一领域还有一些问题有待进一步研究解决。

　　电力系统中谐波的实际测量结果是谐波问题研究的主要依据，也常常是研究分析问题的出发点。由于电子技术，特别是数字电子技术的进步，已有许多仪器能对谐波进行连续测量，提供必要的信息。但如何合理地选择采样时间，测量间隔及测量位置，如何处理波形瞬态畸变和闪变等问题还需要深入研究。

　　近年来，国际上有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表。这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示着这一领域的研究将取得重大突破。

　　2)谐波抑制

　　解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条：一条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，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

　　装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛应用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不理想。尽管如此，LC滤波器当前仍是补偿谐波的主要手段。

　　目前，谐波抑制的一个重要确实是采用有源电力滤波器(APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极刑相反的补偿电流，从而使低昂网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，印而受到广泛重视，并且已在日本等国获得广泛应用。

　　有源电力滤波器的交流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用的装置中，90%以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看，又分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是并联型。上述类型都可以单独使用，也可以喝LC滤波器混合使用。

　　对于作为主要的谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1.这种变流器被称为单位因数变流器(UPFC)。高功率因数变流器可近似堪称为单位功率因数变流器。
　目前，对PWM逆变器的研究已经很充分，但对PWM整流器的研究则较少。对于电流型PWM整流器，可以直接对开关器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波且和电源电压同相位。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波的频率很高，因而很容易滤除。同时，也得到接近于1的功率因数。对于电压型的PWM整流器，需要通过电抗器与电源相连。其控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到与电源电压同相位、由负载电流大小决定其幅值的电流指令信号，并据此信号对PWM整流器进行电流跟踪控制。间接电流控制就是控制整流器的入断电压，使其为接近正弦波的 PWM波形，并和电源电压保持合适的香味，从而使流过电抗器的输入电流波形为与电源电压同相位的正弦波。

　　小容量的整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加PWM斩波方式。这种电路通常称为功率因数校正电路(PFC),已在开关电源中获得了广泛的应用。因为办公和家用电器中使用的开关电源数量极其庞大，因此这种方式必将对谐波污染的治理做出巨大贡献。

　　2) 无功补偿

　　人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而含有谐波时，至今尚无获得工人的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，确实一致的。无功功率补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。后者实际上就是上一部分提到的谐波补偿。

　　无功功率对供电系统和负载运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略的说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现。为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

　　无功补偿的作用主要有以下几点：

　　(1) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

　　(2) 稳定受电端及电网电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

　　(3) 在电气化贴到等三相负载不平衡的场合，通过适当的武功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

　　早期无功补偿装置为同步调相机，现在有的地方仍在使用，不过由于总体上这种补偿手段已显陈旧，在有关著作中已有较详细论述，此种设备已在淘汰阶段。

　　并联电容的成本较低。把并联电容器和同步调相机相比较，在调节效果相近的条件下，前者的费用要节省很多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也是有发生。

　　静止无功补偿装置(SVC)近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型的代表是晶闸管控制电抗器+固定电容器(TCR+FC)。晶闸管投切电容器(TSC)也获得了广泛的应用。静止无功补偿装置的重要特性性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角得以实现的。TSC只能分组投切，不能连续调节无功功率，他只有和TCR配合使用，才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。由于具有连续调节性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。因TCR 装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，所以固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除TCR中的谐波。

　　比SVC更为先进的线代补偿装置是静止无功发生器(SVG)。SVG也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG和SVC不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。SVG通过不同的控制，既可使其发生无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感性。采用PWM控制，即可使其输入电流接近正弦波。