如何解決電容器無功補償中的諧波治理問題

    在用并聯電容器進行無功補償的供電系統中電網以感抗為主電容器支路以容抗為主。在工頻條件下并聯電容器的容抗比系統的感抗大得多，可發出無功功率對電網進行無功補償。但在有諧波治理背景的系統中大量的非線性負荷會產生大量的諧波電流注入電網，對這些諧波頻率而言，電網感抗顯著增加而補償系統容抗顯著減小導致諧波電流大部分流入電容器支路，若此時電容器的運行電流超過其額定電流的1.3倍，電容器將會因過流而產生故障。

    諧波源有兩種一種是諧波電流源，這些用電設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參數無關。另外一種是諧波電壓源。發電機在發出基波電勢的同時也會有諧波電勢產生，其諧波電勢大小主要取決于發電機本身的結構和工作狀況。實際上，在電網中運行的發電機和變壓器等電力設備，輸出的諧波電勢分量很小幾乎可以忽略。因此，在供電系統中存在并實際發生作用的諧波源，主要是諧波電流源。諧波治理針對無功補償系統的調諧頻率，如果電網中存在該特定頻率的諧波電流源則該諧波將直接被放嚴重時還會發生并聯諧振或串聯諧振。系統諧振將導致諧波電壓和電流明顯地高于在無諧振情況下出現的諧波電壓和電流。

    一、諧波與串聯諧振

    當上一級電網系統電壓波形嚴重畸變時此時的諧波源相當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回路。當感抗和容抗相等時，將形成串聯諧振。此時諧波電壓將在串聯回路上形成強大的電流直接流經補償電容器使電容器因過流而迅速故障。

    二、諧波與并聯諧振

    當電網中的諧波主要由非線性用電負荷產生時，此時的諧波源可看作一個很大的電流源，其產生的諧波電流加在系統感抗和電容器的容抗之間，形成并聯回路。當電網阻抗和電容器阻抗相等時，將形成并聯諧振。此時，即使系統中的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電容器時可導致其內部組件過熱而出現故障。

    無源濾波器是傳統的進行無功補償和諧波治理的方法，具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠、維護方便等優點因此被廣泛采用。但是無源濾波器的濾波性能受系統和負載參數的影響較大，易于與系統發生并聯諧振，導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，動態性能相對較差，無功補償效果也不是很理想。為此，急需開發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中單獨使用電容器進行無功補償時若發生并聯諧振或串聯諧振大部分諧波電流將流隨著電力電子技術的發展，用晶閘管實現的靜止無功補償裝置因其優良的性能而被廣泛應用。例如，有一種兼有諧波治理功能的動態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，但線路組成比較復雜，故障點多，維護量相對較大。該裝置根據局部電網最低功率因數設置固定電容器，根據諧波的階次由電抗器串聯固定電容器組成LC諧波吸收回路根據電網功率因數變化量來調節相控電抗器的大小實現局部電網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，運行也較穩定，值得推廣。

    對于系統中常見的主要的諧波，可接近諧振并呈現很低的阻抗，使諧波電流流入濾波器，從而可同時達到無功補償和濾除諧波的目的。由于系統中存在的諧波電流通常有多個頻率，若采用單調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，該裝置結構簡單，易于實現，有實際應用和推廣價值。近來又開發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TSC和電力濾波器的優點，并且可抑制因負載變動而引起的電網電壓波動。在基波頻率下，TSF的基波阻抗呈容性，可向系統輸出無功功率，并且其大小可通過晶閘管進行調節。

    串聯型有源電力濾波器APF通過一個匹配變壓器, 將APF串聯于電源和負載之間控制工程網版權所有,以消除電壓諧波, 平衡或調整負載的端電壓, 適合于補償電壓型諧波源。與并聯型APF相比, 它的損耗較大,且各種保護電路也較復雜。因此, 很少研究單獨使用的串聯型APF, 而大多數將它作為混合型APF的一部分予以研究。

    并聯型APF主要適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統中的不平衡電流等。目前并聯型APF在技術上已較成熟, 是當前應用最廣泛的一種APF拓撲結構。

    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型濾波器代替。SHAPF是在串聯型APF的基礎上使用一些大容量的無源L一C濾波網絡來承擔消除低次諧波, 進行無功補償的任務, 而串聯型APF只承擔消除高次諧振及阻尼無源LC網絡與線路阻抗產生的諧波諧振的任務。從而使串聯型APF的電流、電壓額定值大大減少(功率容量可減少到負載容量的5%以下),降低了APF的成本和體積。從經濟角度而言, 這種結構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阻抗和無源濾波器之間可能產生的串、并聯諧振。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進行消除, 而是起到提高無源濾波器濾波效果的目的, 它所產生的補償電壓中不含有基波電網電壓, 只含有諧波電壓, 故其功率容量很小, 具有良好的經濟性, 適于對大容量的諧濾負載進行補償。APF與PF串聯后與電網并聯的結構中有源濾波器的輸出補償電壓為所有負載諧波電流流過無源濾波器時產生的電壓。對于電源電壓中的畸變電壓, 有源濾波器被控制產生與其相同的諧波補償電壓, 以抑制電源電壓畸變產生的諧波電流。

    在使用并聯有源電力濾波器與并聯PE組成的混合有源電力濾波器(圖5示)的系統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版權所有, 也用來改善無源濾波器的補償特性, 抑制并聯諧振。這種結構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, 降低了系統成本。但在APF與PE之間以及電網與APF之間存在諧波通道, 可能使APF注入電網的諧波又流入PE及系統中。<