电力系统的无功补偿与谐波抑制研究

摘要:电力系统中的电压与电流波形发生畸变，不仅降低了电能质量，而且影响到电力系统的正常运行，因此针对电力系统的谐波治理与无功补偿技术研究，不仅可以提升供电设备运行的稳定性与工作效率，而且可以在保证供电质量的前提下降低供电成本，有着重要的现实意义。本文就针对电力系统的无功补偿技术与谐波抑制措施进行分析。

一、无功补偿的原理分析

提高系统功率因数的途径一般有:提高系统自然功率因数;安装无功补偿装置。无功补偿的原理简单来说，就是提供负载所需要的无功功率，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器在吸收能量，能量就在它们之间交换，即阻感性负载需要的无功功率可由电容器提供，反之，阻容性负载需要的无功功率可由电抗器提供因此，按照负载的性质安装不同的设备可以提供负载所需要的无功功率而不再需要从电源获得，减轻了电力系统的压力。

1.谐波的产生与危害

1.1谐波的产生

具体而言，谐波是由谐波电流源产生的。在正弦电压施加于非线性负荷条件下，电流就会变换为非正弦波，而负荷连接电网，相应的电网中就会注入非正弦电流，在电网阻抗上产生压降，最终形成非正弦波，受其影响，电压与电流的波形均会产生畸变。非线性负载在消耗无功功率的同时会产生大量的谐波电流，例如荧光灯的电流畸变率达到20%，功率因数在0.85左右。

1.2谐波的危害

(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次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

(2)谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波对电机的影响除了引起附加损耗外，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，以致损坏。

(3)谐波会引起电网中局部的并联和串联谐振，从而使谐波放大，使上面的危害大大增加，甚至引起严重事故。

(4)谐波会引起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。

(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;重者会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。因此，不论是从经济上还是从设备的安全运行上，无功补偿和谐波治理都是必要的。

2.电力系统中谐波的抑制措施

电力系统中抑制谐波的主要措施包括以下几种:

2.1增加换流装置系数

电力系统中最主要的谐波源来自于换流设备，根据相关理论分析可知，如果换流设备脉动数有所增加，则换流设备在直流侧与交流侧所产生的特征谐波次数或以将较大幅值的低频项有效清除，从而大幅降低谐波电流的有效值。

2.2滤波法

要解决配电系统的谐波和无功补偿问题必须综合考虑滤波和补偿这两方面的因素，能满足要求的实现方法有很多，经过学习比较，这里主要研究两种常见的滤波装置。一种是无源滤波器;一种是有源滤波器。

2.2.1无源滤波器

无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器，电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。

无源滤波器的优点:因其结构简单，电压和容量可以做的很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素;维护方便;造价低，运行费用也低;对某一次高次谐波的吸收效果明显;设计制造经验成熟，因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。

无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点:

(1)只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器

(2)只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效法解实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。

(3)滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效。当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。

(4)当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。

(5)装置体积大，损耗大。

(6)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。

基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必采用其滤波方式。

2.2.2有源电力滤波器

要采用其它滤波方式来抑制谐波。有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的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性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有:实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

(3)即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿用。

(4)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

(6)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]徐继敏.电网的无功补偿与谐波治理[J].电气应用2008(13)

[2]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社2006

作者简介:

钟京红(1972-)，女，中共党员，工程师，本科，学士学位，毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业,现于河南省平煤股份十二矿职教中心任机电专业专职教师。2014年5月获得全国注册安全工程师资格证书并已申请注册。研究方向:职工教育教学管理工作，机电技术领域;曾发表学术论文多篇。