有源滤波器和静止型无功补偿器在电力系统中的应用

有源滤波器和静止型无功补偿器在电力系统中的应用

【摘要】电力系统中的谐波源危及电网的正常运行。从谐波源及谐波补偿方法的分析出发，着重介绍了一种目前新兴的滤波措施—电力有源滤波器的工作原理和内部结构。有源滤波器滤波性能卓越，能起到减少电网谐波污染，提高电能质量的作用。同时介绍了静止无功补偿装置（SVC）在电力系统中的应用。实际运行结果表明，SVC抗强电磁干扰能力强，响应快，可靠性高，故障率低，达到了满意的效果，提高电力系统的自动化水平。

【关键词】电力系统；谐波治理；无功补偿；SVC

1 谐波的危害

谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：

（1）谐波影响各种电气设备的正常工作。如造成发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热。

（2）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

（3）使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但对于谐波，由于频率倍增，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，导致电容器等设备被烧毁。

（4）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。

2 谐波抑制方法

抑制谐波电流主要有两方面的措施：

2.1 降低谐波源的谐波含量

在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：a.增加整流器的脉动数；b.脉宽调制法。但电力电子装置的应用不可避免产生谐波源。

2.2 在谐波源处吸收谐波电流

2.2.1 无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在许多缺点，如滤波易受系统参数的影响：对某些次谐波有放大的可能：耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

2.2.2 有源滤波器

有源滤波器，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比，它具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，具有抑制闪变、补偿无功的特点，在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响；可消除与系统阻抗发生谐振的危险：具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。因此，近年来有源电力滤波器是电力电子技术在电力系统应用的研究热点。以下介绍两种有源电力滤波器：

（1）并联型有源电力滤波器

并联型有源电力滤波器对谐波电流源有良好的滤波效果。控制系统是有源电力滤波器的核心，决定了有源电力滤波器系统的主要性能。目前，随着各种微处理器的发展，特别是高速数字信号处理器的应用，正成为改善系统性能的强有力工具。

（2）串联型有源电力滤波器

虽然并联型有源电力滤波器对谐波电流源有良好的滤波效果，但对于谐波电压源并不是有效的电路拓扑结构。APF通过变压器串联在电源和负载之间，可被等效成为一个受控阻抗。在理想的情况下在系统稳态时电源基波电流阻抗为零，对谐波电流的阻抗无穷大，从而可以较好地抑制谐波源对电网侧的影响。

（3）混合型有源电力滤波器

考虑到并联型有源电力滤波器对谐波电流源的有效抑制，而串联型拓扑结构能够很好地抑制谐波电压源，人们提出了混合型（串并联）的拓扑结构。

3无功补偿的研究

3.1 晶闸管控制电抗器（TCR）

如图3-1中原理接线图所示，u为交流电压。Thl 、Th2为两个反并联晶闸，

控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i，u和i的基本波形如图3-1中电流波形图所示。

图3-1 原理接线图和电流波形图

两个晶闸管分别在电源电压波的两个半周期内导通，由分析可以知道导通控制角Ⅸ在90～l80范围内调节，90时吸收的感性无功最大，18O时吸收的感性无功最小。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后电压近似90，电流基本是无功电流，0～9O之间由于产生不可接受的、含有直流分量的不对称的电流，故导通控制角在90～180范围内调节。a角增大的影响是减少电流中的基波分量，相当于电抗器的电感值增加，同时减少它所吸收的无功功率。

改变晶闸管的导通控制角也就改变了TCR所吸收的容性无功量。当导通角变化时，吸收的容性无功值从最大变化到零，即TCR向电网补偿的容性无功从零变到最大。a角变化时TCR电流是动态可控的，从而向电网补偿的容性无功也是连续可调的。

3.2 晶闸管投切电容器（TSC）

3.2.1 TSC的基本原理

如图3-2（a）所示，2个反并联的晶闸管起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。

电容器投入时，TSC的电压/电流特性就是该电容的伏安特性。工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。根据电网的无功需求投切这些电容器。投入的电容器数量不同，TSC的电压/电流特性的斜率也就不同，如图3-2（b）所示。

TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。当TSC 用于三相电路时，可以是△接法也可以是Y接法，每一相都设计成分组投切。（a）单相结构简图（b）电压/电流特性

图3-2 TSC基本原理

3.2.2 控制器的硬件设计

（1）控制器的工作原理

进行并联电容器的投切，前提要将电量信息采集到单片机中。首先电压和电流经过互感器将高电压变换为低电压；之后经过信号预处理，然后进入多路开关，通过单片机控制选择多路开关接通AD574，循环采集三相电压电流信号，将读取的数据进行存储和计算。