如何解決電容器無功補(bǔ)償中的諧波治理問題

    在用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓╇娤到y(tǒng)中電網(wǎng)以感抗為主電容器支路以容抗為主。在工頻條件下并聯(lián)電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，可發(fā)出無功功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。但在有諧波治理背景的系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，對(duì)這些諧波頻率而言，電網(wǎng)感抗顯著增加而補(bǔ)償系統(tǒng)容抗顯著減小導(dǎo)致諧波電流大部分流入電容器支路，若此時(shí)電容器的運(yùn)行電流超過其額定電流的1.3倍，電容器將會(huì)因過流而產(chǎn)生故障。

    諧波源有兩種一種是諧波電流源，這些用電設(shè)備中的諧波含量取決于它自身的特性和工作狀況基本上與供電系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)。另外一種是諧波電壓源。發(fā)電機(jī)在發(fā)出基波電勢(shì)的同時(shí)也會(huì)有諧波電勢(shì)產(chǎn)生，其諧波電勢(shì)大小主要取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作狀況。實(shí)際上，在電網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)和變壓器等電力設(shè)備，輸出的諧波電勢(shì)分量很小幾乎可以忽略。因此，在供電系統(tǒng)中存在并實(shí)際發(fā)生作用的諧波源，主要是諧波電流源。諧波治理針對(duì)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的調(diào)諧頻率，如果電網(wǎng)中存在該特定頻率的諧波電流源則該諧波將直接被放嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流明顯地高于在無諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。

    一、諧波與串聯(lián)諧振

    當(dāng)上一級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形嚴(yán)重畸變時(shí)此時(shí)的諧波源相當(dāng)于一個(gè)很大的電壓源。諧波電壓將在變壓器的感抗和電容器的容抗間形成串聯(lián)回路。當(dāng)感抗和容抗相等時(shí)，將形成串聯(lián)諧振。此時(shí)諧波電壓將在串聯(lián)回路上形成強(qiáng)大的電流直接流經(jīng)補(bǔ)償電容器使電容器因過流而迅速故障。

    二、諧波與并聯(lián)諧振

    當(dāng)電網(wǎng)中的諧波主要由非線性用電負(fù)荷產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)的諧波源可看作一個(gè)很大的電流源，其產(chǎn)生的諧波電流加在系統(tǒng)感抗和電容器的容抗之間，形成并聯(lián)回路。當(dāng)電網(wǎng)阻抗和電容器阻抗相等時(shí)，將形成并聯(lián)諧振。此時(shí)，即使系統(tǒng)中的N次諧波電流不大，流入電容器的N次諧波電流也將會(huì)很大（理論上為無窮大，實(shí)際上，由于存在電阻，諧波電流為一很大的有限值），被放大的諧波電流流經(jīng)電容器時(shí)可導(dǎo)致其內(nèi)部組件過熱而出現(xiàn)故障。

    無源濾波器是傳統(tǒng)的進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理的方法，具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)因此被廣泛采用。但是無源濾波器的濾波性能受系統(tǒng)和負(fù)載參數(shù)的影響較大，易于與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大從而使濾波器過載甚至燒毀，另外它只能消除特定次的諧波，動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，無功補(bǔ)償效果也不是很理想。為此，急需開發(fā)出新的裝置來彌補(bǔ)上述缺陷。

    由以上分析可見在有諧波治理背景的供電系統(tǒng)中單獨(dú)使用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)若發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振大部分諧波電流將流隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，用晶閘管實(shí)現(xiàn)的靜止無功補(bǔ)償裝置因其優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用。例如，有一種兼有諧波治理功能的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置叫做晶閘管投切電容器TSC這種裝置性能良好，被很多場(chǎng)合采用，但線路組成比較復(fù)雜，故障點(diǎn)多，維護(hù)量相對(duì)較大。該裝置根據(jù)局部電網(wǎng)最低功率因數(shù)設(shè)置固定電容器，根據(jù)諧波的階次由電抗器串聯(lián)固定電容器組成LC諧波吸收回路根據(jù)電網(wǎng)功率因數(shù)變化量來調(diào)節(jié)相控電抗器的大小實(shí)現(xiàn)局部電網(wǎng)無功補(bǔ)償和諧波治理。相對(duì)TSC來說，該裝置線路簡(jiǎn)單，故障率低，運(yùn)行也較穩(wěn)定，值得推廣。

    對(duì)于系統(tǒng)中常見的主要的諧波，可接近諧振并呈現(xiàn)很低的阻抗，使諧波電流流入濾波器，從而可同時(shí)達(dá)到無功補(bǔ)償和濾除諧波的目的。由于系統(tǒng)中存在的諧波電流通常有多個(gè)頻率，若采用單調(diào)諧濾波器來濾除諧波，則需安裝多個(gè)濾波器。此時(shí)需注意，在投切濾波器時(shí)，必須從低次向高次逐次投入，而在切除時(shí)則必須從高次向低次依次切除。否則，不僅不能達(dá)到抑制諧波電流的作用，反而會(huì)將其放大。研究表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。近來又開發(fā)出一種新型無功補(bǔ)償兼諧波治理裝置——晶閘管投切濾波器。它兼有傳統(tǒng)TSC和電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)，并且可抑制因負(fù)載變動(dòng)而引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)。在基波頻率下，TSF的基波阻抗呈容性，可向系統(tǒng)輸出無功功率，并且其大小可通過晶閘管進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    串聯(lián)型有源電力濾波器APF通過一個(gè)匹配變壓器, 將APF串聯(lián)于電源和負(fù)載之間控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,以消除電壓諧波, 平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓, 適合于補(bǔ)償電壓型諧波源。與并聯(lián)型APF相比, 它的損耗較大,且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜。因此, 很少研究單獨(dú)使用的串聯(lián)型APF, 而大多數(shù)將它作為混合型APF的一部分予以研究。

    并聯(lián)型APF主要適用于電流源型非線性負(fù)載的諧波電流抵消、無功補(bǔ)償以及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。目前并聯(lián)型APF在技術(shù)上已較成熟, 是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    隨著電力電子器件性能的提高, 成本不斷下降, 它可能被性價(jià)比更高的串并聯(lián)型濾波器代替。SHAPF是在串聯(lián)型APF的基礎(chǔ)上使用一些大容量的無源L一C濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波, 進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù), 而串聯(lián)型APF只承擔(dān)消除高次諧振及阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振的任務(wù)。從而使串聯(lián)型APF的電流、電壓額定值大大減少(功率容量可減少到負(fù)載容量的5%以下),降低了APF的成本和體積。從經(jīng)濟(jì)角度而言, 這種結(jié)構(gòu)形式是一種值得推薦的方案。

    有源電力濾波器的投入還可有效地抑制電力系統(tǒng)阻抗和無源濾波器之間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振。由于有源濾波器不是直接對(duì)諧波電流進(jìn)行消除, 而是起到提高無源濾波器濾波效果的目的, 它所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓中不含有基波電網(wǎng)電壓, 只含有諧波電壓, 故其功率容量很小, 具有良好的經(jīng)濟(jì)性, 適于對(duì)大容量的諧濾負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。APF與PF串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中有源濾波器的輸出補(bǔ)償電壓為所有負(fù)載諧波電流流過無源濾波器時(shí)產(chǎn)生的電壓。對(duì)于電源電壓中的畸變電壓, 有源濾波器被控制產(chǎn)生與其相同的諧波補(bǔ)償電壓, 以抑制電源電壓畸變產(chǎn)生的諧波電流。

    在使用并聯(lián)有源電力濾波器與并聯(lián)PE組成的混合有源電力濾波器(圖5示)的系統(tǒng)中諧波主要由無源濾波器補(bǔ)償, 而有源濾波器除了補(bǔ)償剩余諧波控制工程網(wǎng)版權(quán)所有, 也用來改善無源濾波器的補(bǔ)償特性, 抑制并聯(lián)諧振。這種結(jié)構(gòu)可以克服單獨(dú)使用無源濾波器的缺點(diǎn), 又可減小有源濾波器的容量, 降低了系統(tǒng)成本。但在APF與PE之間以及電網(wǎng)與APF之間存在諧波通道, 可能使APF注入電網(wǎng)的諧波又流入PE及系統(tǒng)中。<