諧波抑制、無功補償及其仿真的研究綜述

王琳

摘 要 本文首先闡述了諧波及無功問題的研究背景及意義，并分析了諧波抑制及無功補償的應用現狀。然后簡要介紹了有源電力濾波器原理，并比較畸變電流和經過有源濾波器濾波后電流的畸變程度。最后，利用Simulink模塊模擬現實電路，得到與無功功率補償的相關數據，并比較沒有無功功率補償和有無功功率補償終端電壓的穩定性。通過仿真結果，可以看出諧波抑制及無功補償的應用效果。

關鍵詞 諧波抑制 無功補償 有源電力濾波器 MATLAB仿真

中圖分類號：TM935.2 文獻標識碼：A

0前言

隨著電力電子技術在電力系統中的推廣，高效的利用電能的同時，隨之所帶來的電能質量問題引起了廣泛關注。電力電子設備、非線性負載所產生的諧波對電網的污染日益加重。而且功率因數低的電力電子裝置會影響電能質量，并給電網帶來額外負擔。因此，關于諧波抑制及無功補償的研究課題引起了業界廣泛關注。為了不讓諧波污染及功率因數低阻礙電力電子技術在電力系統中的發展，需要對抑制諧波污染、無功補償開展深入研究。目前，國內外已經采取各種諧波抑制方法，并且也得到廣泛的應用。但還有不足，未能達到預想的效果，這需要進一步擴充基礎理論研究，來提出更為有效的方法。

諧波抑制研究的意義在于諧波不僅影響電能質量，而且還降低電能的使用效率，縮短設備使用壽命，因過熱而絕緣老化，嚴重會導致發生故障或燒毀。同時引起并聯諧振或串聯諧振，放大諧波含量，嚴重會導致電容器等設備燒毀。并且干擾通信設備和電子設備，引起電氣裝置裝置誤動作，導致出現設備運行故障。

無功補償研究的意義在于無功功率影響供電系統和負載的穩定運行，一旦無功功率增加會導致供電設備視在功率增大，從而導致設備的尺寸和規格增大。無功功率的增加會導致設備及線路損耗增加，變壓器及線路壓降增大，從而導致電網電壓劇烈波動。

1目前應用現狀和發展趨勢

1.1 諧波抑制的應用現狀和發展趨勢

無源LC濾波器因具有結構簡單，投資少，可靠性高，運行費用低等特點被廣泛應用，但缺點是當補償特性受到電網阻抗和運行狀態影響時，和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，導致過載甚至燒毀。相對于，有源電力濾波器（APF）能夠對頻率和大小都在變化的諧波進行動態補償，補償特性是不受電網阻抗和頻率變化影響，可獲得比無源濾波器更好的補償效果。

從近年來看其發展趨勢：一是通過采用PWM調值技術和提高開關器件等效開關效率的多重化技術，實現對高次諧波的有效補償和系統的大容量；二是采用PPF和APF組成的混合型電力濾波器系統，可減少APF的容量，達到降成本、提高效益的目的。

1.2 無功補償的應用現狀和發展趨勢

在電力系統中，可以采用并聯電容器、靜止無功補償裝置SVC、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發生器（SVG）等補償無功功率的方法。靜止無功補償裝置（SVC）用于負載無功補償和輸電系統波阻抗補償及長距離輸電的分段補償。

目前補償裝置有應用最多的靜止無功補償裝置（TCR、TSC等）以及有應用前景的靜止無功發生器（SVG），將以電力電子技術為核心作為無功補償技術未來發展的主要趨勢，開發出性能更為優越的裝置。

2有源電力濾波器原理及其仿真

有源電力濾波器工作原理是能夠產生一組與所測到的畸變諧波電流相位相反的諧波電流，諧波因此被抵消，從而形成一個無畸變的正弦電流。通過以下幾個例子來說明有源電力濾波器的工作原理。每個例子都給出一個畸變諧波電流波形的樣本以及相應的由有源電力濾波器產生的用以消除該諧波電流的電流。圖1-5給出不同畸變電流與有源電力濾波器電流補償關系。

3無功補償系統仿真

3.1負載為純電阻的仿真

在Simulink中，搭建負載為純電阻的主電路的仿真模型，如圖6所示。

設置三相傳輸線路阻抗為200€%R。使用三相電阻負載，調整E1到300V，并且在以后的實驗中保持300V不變，逐漸改變三相電阻負載的阻值，同時保持它們的三相平衡，記錄下E1、P1、Q1、E2、P2、Q2的值，如表1。

3.2負載為R與C并聯的仿真

在Simulink中，搭建負載為R與C并聯的主電路的仿真模型，如圖7所示。

使用三相阻容負載，保持E1=300V不變，調整負載電容XC的值，讓負載R對應的每個E2的值接近于300V，并記錄電容值XC，有功功率P1和P2，無功功率Q1和Q2的值。如表2、圖6、圖7。

3.3仿真結果分析

由表1和表2中的E2和P2的值，以E2為縱坐標，以P2為橫坐標，分別作圖得到圖8。從仿真的結果看，并聯無功補償可以使得終端電壓趨于穩定。電壓表達式如下：

由式（5）知，當R與C并聯時，負載增大即電阻R減小，整個電路中的電流I會增大。當電流I增大且線路電抗XL不變時，UL會增大，這時可以調節XC的大小來調節UC的大小，讓UC增大去抵消UL增大，從而保證U的大小基本保持不變（如圖8）。

4結語

從諧波抑制及無功補償兩個方面進行MATLAB仿真及分析，一方面是有源電力濾波器所產生的電流可抵消諧波電流，從而起到諧波抑制的作用，仿真的結果也很好的說明這點。另一個方面則是通過對實際電路的仿真，對比沒有無功補償及有無功補償這兩種情況，并用MATLAB作圖對其進行分析，得出終端電壓的穩定性受無功功率影響。從仿真結果看，諧波抑制及無功補償都取得較好的效果。

參考文獻

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