电力电子技术与谐波抑制
电力电子技术与谐波抑制【1】
摘 要 本文阐述了电力电子技术的发展状况，分析了谐波污染的危害以及抑制措施，并介绍了无功问题和谐波治理中一些新的技术。
关键词 谐波抑制电力电子技术谐波治理
1 谐波的产生和影响
1.1 谐波与无功功率的产生
在用电负载中，阻感负载占了很大一部分，阻感负载要正常的工作就要吸收无功功率。
而这些装置中交流侧的电流会因为使用了相控方式而滞后于电压，也就产生了大量的谐波电流。
即使一些交流侧电压电流基本相同的装置，但是电流波形的畸变，也会产生谐波电流，导致无功功率被消耗。
纯正弦交流电路中，定义了三种功率，它们的表达式为(P是有功功率，Q是无功功率，S是视在功率)：
P=UIcosφ
Q= UIsinφ
S=UI
三种功率满足关系式：
S2=P2+Q2
有功功率P的表示交流平均功率;视在功率S在工程上表示为电气设备功率中设计的极限值，它当中的额定电流由铜耗和导线的截面积决定;无功功率表示的则是含有储能元件的电路中的一种功率互换的幅度，单相电路与三相电路之间又有一些不同。
在非正弦交流电路中，有功功率和视在功率可以分别表示成：
其中，Un和In分别代表基波和谐波中电压、电流的分别的有效值。
按照纯正弦电路的模式，可以给非正弦电路的无功功率做一个定义：
在这里，Q虽然反应能量的流动交换，但却不体现其的消耗情况。
公用电网的电压，波形稳定，畸变很小，而电流的畸变可能却很大，所以在研究过程中，可以将各个功率可以用以下公式表示：
其中，Qf和D分别表示基波电流和谐波电流产生的无功功率。
功率因素可以表示成：
在这个式子中，u=I1/I是叫波形畸变因数，cosφ1则被称为位移因数或功率因数。
可以看出，功率因数在非正弦电流电路中除了与基波电流相关，还与谐波大小有关系。
所以，电路中的谐波，会使得无功功率增大，从而使功率因数变低，导致电气容量的可利用率下滑，从而损害电网。
1.2 谐波对电网的影响
1)谐波的产生，会使电网设备产生附加的损耗，从而降低供配电以及用电设备的功率。
2)谐波引起的过电压、过电流将会使变压器产生过热现象，这样一来，设备容易老化，使用寿命缩短而且还会损坏。
3)谐波会到这继电保护装置的误操作，是一些测量仪表失效或测量不准确。
4)谐波会在公用电网中引发并联谐振和串联谐振，极易造成安全隐患。
5)谐波的产生，对近处的通信装置产生干扰，导致通信质量下降，造成一些额外损失。
2 对谐波抑制技术的研究
各国在电力技术方面都制定了一些法规或措施来将谐波抑制控制在允许范围，对谐波和谐波电流的合成方法进行了明确说明，为了满足这些要求，要采用一些方法来抑制谐波以及对无功功率进行补偿。
2.1 安装谐波补偿装置
2.1.1 无源滤波器
无源电力滤波器(PPF)在谐波抑制中有很大优势，初期投资比较小，运行效率高，它主要利用电子元件的谐振特性，使得电感或电容在阻抗分流回路中形成低阻抗，但体积大，材料消耗多等，也是它的缺点。
2.1.2 有源滤波器
有源滤波器(APF)与无源滤波器(PPF)相比而言，它能在补偿各次谐波的同时，还能调节三相不平衡电压和抑制闪变;并且它能够对动态的谐波进行跟踪补偿，达到自适应的效果;滤波特性也不受频率与阻抗影响。
因为优势明显，APF技术也是治理电网污染中的一项关键技术，对它的研究比较广泛。
根据使用场合分，可分为有源直流和有源交流两类;根据逆变电路储能元件来分，分为电流型与电压型滤波装置，如图1所示：a)为电压型。
b)为电流型。
电压型效率高，可任意并联扩容，适用于电网级的谐波补偿，且技术相对成熟，目前使用广泛;电流型结构简单，性能稳定，不适用大容量系统。
通过接入电网的方式来分，还可分为串联型与并联型。
并联型的APF，主要功能是消除负载引起的谐波电流，优势是可以多台并联使用，适用于多种容量场合;串联型APF，是通过向电网中加入或减去一个瞬时电压，使负载侧电压维持一个纯正弦波，这种方式使串联型在电压敏感性负载中非常适合，但它负载电流过大，体积较大，没有并联型使用广泛。
有源滤波器的控制策略是滤波技术中最重要的部分，包括直流侧电容电压控制、输出电流跟踪控制，一般来说又可分为开环控制、闭环控制，目前主要采用闭环控制技术，它补偿效果较好。
参考文献
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电力电子技术与谐波抑制、无功功率补偿技术研究【2】
为了进一步提高电力系统的稳定性，确保电力输送的高效性，本文通过对配电系统中谐波和无功功率进行简要分析，在结合无功功率与谐波对电力系统影响的基础上，对电子电力技术以及无功功率补偿和谐波抑制的现状展开了详细的论述和分析，从 【关键词】电力电子技术 谐波抑制 无功功率
电力电子技术在电力系统中的应用不仅能够提高系统的输电能力，而且还可以在降低系统能耗的同时，改善输电质量，提高电力输送的灵活性和稳定性。
但在电力电子技术得以应用的同时，其相关设备也成为了电力系统运行当中的谐波源，并在运行过程中对系统的无功功率进行消耗，从而对电力系统的正常运行产生严重影响。
因此，加强对谐波问题和无功功率损耗问题解决方法的研究力度，已成为电力生产、输送领域需要面对和解决的主要问题。
1 配电系统中谐波与无功功率概述
对配电系统中的水泵异步电机和荧光灯与支撑计算机系统运行等负载进行分析可知，其必须消耗系统产生的无功功率方能实现正常工作。
但变频器、整流器等电力电子装置通常采用的是相控方式工作的，这种控制方式使得此类设备的交流侧电压常滞后于系统运行电压，其不仅会消耗大量的无功功率，而且在运行的同时还会产生谐波电流，从而影响电力系统的正常运行。
给出有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者的关系式：
S2=P2+Q2 (1)
其中，P为系统瞬时功率在单位周波中积分得平均值，即系统交流平均功率，S为各类电器设备的最大可利用容量，具体来说就是电压U和电流I的有效值乘积，分别由设备的绝缘性和导线横截面积决定;Q表示具备储能性质的电气元件功率交换的幅度，通常单相电路功率互换大都发生在储能设备和电源中，而三相电路功率互换则以在具有储能性质的三相设备中的往复流动为主，需要说明的是任意时刻内，三相无功功率的和恒定为零。
2 无功功率和谐波对电力系统的影响
2.1 无功功率对电力系统的影响
(1)无功功率的加将会使得供电设备的视在功率S增加，同时，也会引发启动设备、控制设备和仪表等测量设备的尺寸与规格扩增;
(2)无功功率的增加必将使得电力系统设备与线路损耗更加严重，缩短电气设备寿命;
(3)无功功率增加将会引发变压器与线路压降的扩大，从而使电网电压产生剧烈波动，影响电力系统的稳定性。
2.2 谐波的主要危害
(1)变频器和整流器等所产生的谐波将引起电气设备附加谐波的损耗，同时，使得供配电设备的工作效率下降;
(2)谐波对各类电气设备的影响也较为严重，例如，引起系统的过电流和过电压，从而增加变压器的负担，引发电缆过热和绝缘装置老化;
(3)谐波的另一危害体现在对公用电网的影响上，由于电网中的电流大都是以正弦的形式存在的，而谐波的产生会导致非正弦电流电路的功率因数增加，从而在电场中产生非正弦电流，导致公用电网的局部谐波被进一步放大，甚至将会导致串、并联谐振，增加电力设备的安全风险。
3 电子电力技术的应用现状
由于电子电力技术在无功功率补偿和谐波抑制方面具有较为鲜明的作用，故对电子电力技术的应用情况进行了解是极为必要的。
3.1 高压直流输电技术――HVDC
此项技术对容量较大且距离较远的电力传输工作而言具有较强的优越性。
由于在输电过程中，基于HVDC技术输电时产生的电能损耗要远低于以传统交流输电技术为主所产生的电能损耗，且HVDC在支持电力传输时所需的传输线缆更少，在减少占地的同时，也省去了传统交直流输电转化所需的特殊设备，故而在远距离传输时具备良好的经济性。
现阶段，全球HVDC工程拥有50余个，技术支持的总设备容量达到了3.6×104MW，考虑到我国的地域辽阔且能源分布不均等情况，加大对HCDC技术的研发和投入力度极为必要。
3.2 静止无功补偿器――SVC
将以晶闸管为基础元件的固态开关取代原有的机械开关，通过对抗电器与电容器进行控制，从而实现快速且频繁地对输电系统导纳功能进行改变的目的。
通常，SVC由固定或可变电容器支路同系统中的可控支路并联组成，分为TCR、TCT以及TSC和SSR四种类型，其中，TCR型SVC的反应速度最快，可达5-20ms，且不仅运行可靠，而且在分相调节和价格与使用范围方面也具有较大的优势。
目前，全球已拥有220余套配置SVC的输配电系统，总容量已达到3.5×104var，随着SVR优势的进一步普及，其在输配电领域和工业用电方面必将得到全面的发展和推广。
4 无功功率补偿与谐波抑制现状
电力系统中的无功功率补偿方法主要包括了同步发电机、调相机、电动机的引用补偿和并联电容器与SVC补偿，由于多数工程供电系统中，阻感性负载占据绝大部分，使得总等效负载呈现感性，故而可采用并联电容器的方式对无功功率进行补偿，从而提高功率因数。
根据电容器在系统中安装位置的差异，其并联补偿方式主要包括以下几种：
(1)将电容器组集中安置在电源母线上，从整体上提高变电装置的功率因数，降低馈出线路的无功损耗。
(2)分区补偿。
在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组，以此来增强无功功率补偿的效果，但缺点是同集中补偿相比，分区补偿的范围有所减小。
(3)就地补偿。
对异步电动机等感性设备进行功率补偿时，将电容器组安置在负载设备周边进行无功补偿，在提高用电设备在供电回路功率因数的同时，改善用电设备的电压质量。
供电系统谐波抑制的方式主要有两种，一种是利用无缘LC滤波器或是有源电力滤波器对系统运行过程中所产生的谐波进行过滤;另一种是对谐波源进行改造，例如将变流器的相数提高或更换具有较高功率因数的整流器等。
其中，LC无源滤波器抑制谐波的方法较为常见，采用电力电容器以及电抗器电阻对具备某一特征的次谐波进行抑制，在次谐波频率下滤波器的逐鹿进行串联谐振，同时，写成具有较低阻抗的通路，从而使次谐波电流尽可能少地流入到电网当中，最大限度地降低谐波对电网的影响。
5 结论
本文通过对配电系统中的谐波和无功功率产生的原因进行分析，在结合无功功率以及谐波对电力系统影响的基础上，从电子电力技术应用现状的角度出发，提出了无功功率补偿和谐波抑制的相关方法。
可见，未来加强对电子电力技术以及无功功率补偿与谐波抑制方法的研究和应用力度，对于促进电力产业的健康、稳定发展具有重要的现实意义。
参考文献
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