电力系统中无功补偿和谐波抑制的研究

电力系统中无功补偿和谐波抑制的研究Ξ
李风彦1,唐伯英1,李赵华2
(1.内蒙古送变电有限责任公司;2.中广核中电风力发电有限责任公司内蒙古分公司)
摘　要:近年来,随着我国工业化进程的不断加快,电力系统负载中,阻感负载占有比例增大,吸收大量的无功,而无功功率又必须保证平衡。

同时,随着相控交流功率调整电路和周波变流器等电力电子装置的广泛应用,给电网带来了谐波污染,其交流侧的电流也常常滞后于电压,它们不但要消耗大量的无功功率,还有产生大量的谐波电流。

因此,进一步深入无功补偿和谐波抑制的研究具有非常重要的意义。

本文对目前的无功补偿和谐波抑制进行了一定的探讨和研究。

关键词:无功补偿;谐波抑制
中图分类号:TM714.3 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2010)20—0082—02
1　影响功率因数的主要因素
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的,如配电变压器、电动机等,它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。

为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率,因此,所谓的“无功”并不是“无用”的电功率,只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已;因此在供用电系统中除了需要有功电源外,还需要无功电源,两者缺一不可。

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除消耗有功功率外,还需要无功功率。

当有功功率P一定时,如减少无功功率Q,则功率因数便能够提高。

在极端情况下,当Q=0时,则其功率因数=1。

因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

1.1　异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。

而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。

所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率,它和负载率的大小无关。

因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

1.2　供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快,据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般工厂的无功将增加35%左右。

当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。

但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

1.3　电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素,因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法,使低压网能够实现无功的就地平衡,达到降损节能的效果。

2　电网无功补偿方法和补偿原理
2.1　TCR型静止型动态无功补偿装置(S V C)
S V C接入系统中,电容器提供固定的容性无功Q c,补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功Q TCR的大小,感性无功和容性无功相抵消,只要能做到系统无功Q n=Q v(系统所需)-Q c +Q TCR=常数(或0),则能实现电网功率因数=常数,电压几乎不波动,关键是准确控制晶闸管的触发角,得到所需的流过补偿电抗器的电流,晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能,采集母线的无功电流值和电压值,合成无功值,和所设定的恒无功值(可能是0)进行比较,计算得触发角大小,通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。

对于不对称负荷,实现分相调节,消除负序电流,平衡三相电网。

与其并联的固定电容器,可使TCR既能吸收感性无功功率也能吸收容性无功功率。

TCR在工作时,自身也产生大量谐波电流,对电网会造成危害,因此加装了滤波器(FC)将其滤除。

2.2　静止无功发生器(SV G)
S V G的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联(或直接并联)在电网上,适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,从而实现动态无功补偿的目的。

在单相电路中,与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。

但是在平衡的三相电路中,不论负载的功率因数如何,三相瞬时功率之和是
28内蒙古石油化工 2010年第20期　Ξ收稿日期:2010-07-18
一定的,在任何时刻都等于三相总的有功功率。

因此总体上看,在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返,无功能量是在三相之间来回往返的。

所以,如果能用某种方法将三相各部分总体上统一起来处理,则因为总体来看三相电路电源和负载间没有无功能量的传递,在总的负载侧就无需设置无功储能元件。

三相桥式变流电路实际上就具有这种将三相各部分总体上统一起来处理的特点。

因此,理论上讲,S V G的三相桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。

但实际上,考虑到交流电路吸收的电流并不仅含基波,其谐波的存在多少会造成总体来看有少许无功能量在电源和SV G 之间往返。

所以,为维持桥式交流电路的正常工作,其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件,但所需储能元件的容量远比S V G所能提供的无功容量要小。

而对传统的SVC,其所需储能元件的容量至少要等于其所提供无功功率的容量。

因此,S V G中储能元件的体积和成本比同容量的SV C中的大大减小。

3　谐波抑制
3.1　电力系统谐波源
造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷,成为高次谐波源或谐波源。

一切非线性的设备和负荷都是谐波源。

当电力系统向非线性设备及负荷供电时,这些设备或负荷在传递、交换、吸取系统发电机所供给的几波能量的同时,又把大部分基波能量转换为谐波能量,给系统倒送大量的高次谐波,使电力系统的正弦波形畸变,电能质量降低,损坏系统设备。

威胁电力系统的安全运行,增加电力系统的功率损耗等,给电力系统带来危害。

3.2　谐波对电网的危害
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前,人们对谐波及其危害就进行过一些研究,并有一定认识,但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。

近三四十年来,各种电力电子装置发展的迅速使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

3.3　谐波抑制的方法及其原理
装设谐波补偿装置:①LC调谐滤波器。

装设LC 调谐滤波器是谐波补偿的传统方法。

这种方法既可补偿谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,一直被广泛应用。

这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使L滤波器过载甚至烧毁。

此外,它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不理想。

尽管如此,L滤波器当前仍是补偿谐波的主要手段。

②有源电力滤波器。

有源电力滤波器也是一种电力电子装置。

其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极刑相反的补偿电流,从而使低昂网电流只含基波分量。

这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,印而受到广泛重视,并且已在日本等国获得广泛应用。

有源电力滤波器的交流电路可分为电压型和电流型,目前实际应用的装置中,90%以上是电压型。

从与补偿对象的连接方式来看,又分为并联型和串联型,目前运行的装置几乎都是并联型。

上述类型都可以单独使用,也可以和L C滤波器混合使用。

③无源电力滤波器。

无源电力滤波器主要由滤波电容器、滤波电抗器和无感电阻器等适合连接组成,完成滤除谐波兼顾无功补偿的作用。

其主要的工作原理是电路的串联谐振,在某一个谐波频率下,当电容器的容抗和电抗器的感抗相等时,其串联等效电抗为很低值,对相应频次谐波表现出低阻抗,从而有效的抑制了流向系统或其它负荷的谐波电流,改善了系统的电压畸变。

④电力电子装置内改造。

电网中的谐波主要是由各种大容量功率变换器以及其他非线性负载产生的,其中主要的谐波源是各种电力电子装置,如整流装置、交流调压装置等,这其中,整流装置所占的比例最大,它几乎都是采用带电容滤波的二极管不控整流或晶闸管相控整流,它们产生的谐波污染和消耗的无功功率是众所周知的;除整流装置外,斩波和逆变装置的应用也很多,而其输入直流电源也来自整流装置,因此其谐波问题也很严重,尤其是由直流电压源供电的斩波和逆变装置,其直流电压源大多是由二极管不控整流后经电容滤波得到的,这类装置对电网的谐波污染日益突出。

因此,电力电子装置除采用补偿装置对其谐波进行补偿外,还要深入研究。

4　结论
文中一方面介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的方法,确保补偿技术经济、合理、安全可靠,达到节约电能的目的。

另一方面介绍了谐波产生的原因、对电力系统造成的危害以及谐波抑制方法,以达到延长用户设备使用寿命,提高产品质量,降低电磁污染环境,减少能耗,提高电能利用率等目的。

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　2010年第20期 李风彦等　电力系统中无功补偿和谐波抑制的研究
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