國內無功諧波動態補償探討

齊軍亮

（開灤集團唐山礦業公司機電科，河北 唐山 063000）

1 國內供電系統現狀

在電力系統中，理想條件下，希望電流和電壓均為正弦波，所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。但當正弦電壓加到非線性電路（如電力電子元件）上時，電流就會變成非正弦波，非正弦電流在電網阻抗上產生壓降，從而造成負載側的電壓波形也變成非正弦波。由于各種原因，從而使現在國內的電力系統中都存在一定的諧波。

2 諧波的危害

諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面。

2.1 諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

2.2 諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

2.3 諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴重事故。

2.4 諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

2.5 諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。

3 解決方法

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1。一般情況下大都采用裝設有源動態無功諧波補償裝置。

4 有源動態無功補償器的組成和工作原理

4.1 有源動態無功諧波補償裝置組成

有源動態無功補償裝置有四部分構成

控制柜——控制裝置的運行、保護和監測；

功率柜——提供動態無功功率和諧波電流通路的大功率電力電子裝置，采用鏈式換流器，也簡稱為換流鏈；功率柜冷卻裝置——采用強迫風冷裝置；連接電抗器——將裝置接入系統的連接電抗器；啟動柜——隔離開關、真空斷路器、限流電阻、避雷器、電流互感器等。

4.2 有源動態無功和諧波補償裝置的工作原理

有源動態無功和諧波補償裝置（又稱為SVG）是由鏈式靜止同步補償和固定電容器共同構成的，按各自容量的不同可組合成各種補償范圍的有源動態無功和諧波補償裝置。其中的SVG不同于傳統SVC的阻抗補償（靠電容器和電抗器發出和吸收無功）原理，而是基于電壓源自換相換流器，原理上等效于靜止的同步調相機，但性能上又遠優于調相機和SVC。

由于SVG通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓，就像一個電壓型逆變器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網。因此SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器接到電網上。連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是SVG從電網吸收的電流，因此改變SVG交流側輸出電壓的幅值及其相對于系統的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質和大小。SVG可以對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償,其由兩大部分組成,即指令電流運算電路和補償電流發生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成)。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流。

5 有緣動態無功補償裝置（SVG）的優點

5.1 啟動沖擊小

SVG部分采用自勵方式起動，啟動快速且沖擊電流限制在很小的幅值。

5.2 可以任意組合的連續補償范圍

SVG可以從額定感性工況到額定容性工況連續輸出無功，和固定電容器組合可構成任意范圍的連續補償。

5.3 動態響應速度快

SVG具有10ms以內的快速輸出無功特性，因而對快速的沖擊負荷具有更好的補償效果，對閃變有更好的抑制效果；而傳統的SVC響應時間一般在40ms-60ms（太快可能引起電抗和電容器產生振蕩）。

5.4 憂異的諧波輸出特性

SVG既可以輸出近似正弦波的無功電流（不含諧波，用于電網補償），也可以輸出設定次數的諧波電流（用于負荷諧波濾波），即SVG輸出電流是完全有源可控的，完全滿足用戶的需要；而SVC產生大量不可控的諧波電流，又附帶大量不可控的無源濾波支路來實現自身產生的諧波電流的濾波。所以SVC的濾波壓力比較大，它要濾除本身的諧波，還要濾系統的諧波電流，它產生的諧波與系統的諧波相當，而且有3次諧波，對系統不利。

5.5 占地面積小

SVG以半導體功率器件構成的逆變器為核心，使用直流電容器儲能，無SVC中體積龐大的濾波支路和電抗器，安裝尺寸一般只有SVC的1/5-1/3。

5.6 高效率(節能)

SVG采用新型低損耗IGBT功率器件，直接輸出電壓范圍1kV－35Kv,省去了連接變壓器，裝置效率可達99%以上；而由于損耗曲線特性優于SVC（SVC空載時損耗達到最大），SVG的等效運行損耗一般只有SVC的1/3-1/2，等效運行耗電量大大低于SVC。

5.7 超強補償能力

SVG輸出電流不依賴于系統電壓，表現為恒流源特性，在系統電壓跌落到20%時仍可以輸出額定無功電流，具有更寬的運行范圍；而SVC輸出電流與系統電壓成正比下降，使得達到同等補償效果SVG容量可以比SVC容量小20%－30%。通過對固定電容器組的綜合控制，可以更好的滿足系統和負荷的補償范圍要求。

5.8 高可靠性

SVG采用N+1或N+2冗余主電路拓撲結構，一個（或兩個）鏈節單元損壞后仍可繼續滿負荷運行。

5.9 多種補償功能

抑制電力系統過電壓，改善系統電壓穩定性；提高系統暫態穩定水平，減少低壓釋放負荷數量，并防止發生暫態電壓崩潰；動態地維持輸電線路端電壓，提高輸電線路穩態傳輸功率極限；阻尼電力系統功率振蕩 ；在負荷側，能抑制電壓閃變、補償負荷不平衡、提高負荷功率因數、濾除諧波。

6 SVG的主要功能

6.1 控制及保護系統功能

控制系統由主控機箱、PLC、觸摸屏、相配套的軟件等幾個主要部分組成。各部分應實現以下功能：

觸摸屏：人機界面；

PLC：控制觸摸屏的顯示與操作。

主控機箱：具有全數字控制器，由各功能板卡組成，采用分相瞬時電流控制策略。

6.2 通訊功能

控制器應具有和上位機通訊的標準化接口。采用通訊管理機實現就地和遠方通訊。同時控制具備與變電站綜合自動化聯網的功能，高壓開關柜的合閘、分閘及狀態監控在后臺保護上實現。

6.3 保護功能

成套裝置應采用綜合保護策略，以提高裝置可靠性；保護保護類型如下：母線過壓、母線欠壓、過流、速斷、直流過壓、電力電子元件損壞檢測保護、丟脈沖、觸發異常、過壓擊穿、控制系統電源異常、丟同步電源、閥室超溫、保護輸入接口、保護輸出接口控制和系統電源異常等保護功能。

7 結論

隨著中國社會經濟的發展，對供電系統的質量會越來越高，SVG必將會大量的投入使用。

[1]周國威，李欣.配電網無功補償及補償效益分析[J].電力電容器，2005-03-30.