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如何解決電容器無功補償中的諧波治理問題

發(fā)布時間：2017-11-08

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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)電機在發(fā)出基波電勢的同時也會有諧波電勢產(chǎn)生，其諧波電勢大小主要取決于發(fā)電機本身的結(jié)構(gòu)和工作狀況。
實際上，在電網(wǎng)中運行的發(fā)電機和變壓器等電力設(shè)備，輸出的諧波電勢分量很小幾乎可以忽略。
因此，在供電系統(tǒng)中存在并實際發(fā)生作用的諧波源，主要是諧波電流源。
諧波治理針對無功補償系統(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)重時還會發(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)上一級電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形嚴(yán)重畸變時此時的諧波源相當(dāng)于一個很大的電壓源。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，將形成串聯(lián)諧振。此時諧波電壓將在串聯(lián)回路上形成強大的電流直接流經(jīng)補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，此時的諧波源可看作一個很大的電流源，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，將形成并聯(lián)諧振。此時，即使系統(tǒng)中的N次諧波電流不大，流入電容器的N次諧波電流也將會很大(理論上為無窮大，實際上，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)行無功補償和諧波治理的方法，具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點因此被廣泛采用。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，動態(tài)性能相對較差，無功補償效果也不是很理想。為此，急需開發(fā)出新的裝置來彌補上述缺陷。

由以上分析可見在有諧波治理背景的供電系統(tǒng)中單獨使用電容器進(jìn)行無功補償時若發(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，用晶閘管實現(xiàn)的靜止無功補償裝置因其優(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態(tài)無功功率補償裝置叫做晶閘管投切電容器TSC這種裝置性能良好，被很多場合采用，但線路組成比較復(fù)雜，故障點多，維護(hù)量相對較大。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現(xiàn)局部電網(wǎng)無功補償和諧波治理。相對TSC來說，該裝置線路簡單，故障率低，運行也較穩(wěn)定，值得推廣。

對于系統(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，從而可同時達(dá)到無功補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頻率，若采用單調(diào)諧濾波器來濾除諧波，則需安裝多個濾波器。此時需注意，在投切濾波器時，必須從低次向高次逐次投入，而在切除時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，反而會將其放大。研究表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，有實際應(yīng)用和推廣價值。近來又開發(fā)出一種新型無功補償兼諧波治理裝置——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，并且可抑制因負(fù)載變動而引起的電網(wǎng)電壓波動。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)濟性，適于對大容量的諧濾負(fù)載進(jìn)行補償。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償電壓為所有負(fù)載諧波電流流過無源濾波器時產(chǎn)生的電壓。對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償，而有源濾波器除了補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償特性，抑制并聯(lián)諧振。這種結(jié)構(gòu)可以克服單獨使用無源濾波器的缺點，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。

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