无功补偿与谐波治理的意义

无功补偿与滤波治理装置天津水利电力机电研究所杨泽明无功补偿和谐波治理是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、电工理论等领域的重大课题，由于电力电子装置应用日益广泛，谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。一、无功补偿与谐波治理的意义无功补偿与谐波治理都与供电系统的电能质量密切相关。谐波治理本身就属于改善电能质量的范畴，而无功补偿装置在补偿负荷或系统无功功率的同时也直接调节了系统电压，在一些枢纽变电站利用电力电容器和相控电抗器及现代电力电子控制技术组成的静止无功补偿器（SVC）直接作为电压调控的手段，由于其响应迅速调控精准，工程应用十分满意。由此可见无功补偿也对电能质量的提高有着直接积极的意义。（1）电能质量的现状电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电，并且在三相交流系统中，各相电压电流的幅值应大小相等、相位对称。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变、调控手段不完善等因素使这种理想的状态并不存在，由此产生了电能质量问题。电能质量包括供电电压质量、供电频率质量、供电电流质量，而其确切定义国内外尚无统一共识，进入90年代后，我国分别颁布了规范电能质量的技术标准，包括：GB12325-1990《电能质量供电电压允许偏差》GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》其中，电压和频率均由电源进行控制，目前我国在发电和传输系统均进行了严格的控制，在电能的传输与使用过程中能够达到标准要求，而公用电网谐波属于双向传输污染，既可以由电源传递给电能用户，也可由电能用户传递到公用电网。随着我国经济建设和科学技术的发展，非线性用电设备的种类、数量和用电量正在迅猛增加，自上世纪90年代中后期，我国电网开始遭遇并迅速面临同发达国家的谐波污染问题，谐波问题由此成为电能质量中最为引人关注问题。目前研究和解决电能质量问题已成为电力发展的当务之急。主要的研究方向有以下几点：a)研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取的相应对策。b)研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的措施。c)研究电能质量污染对高新技术企业的影响并应采取的相应的技术手段。d)加强电能质量控制装置的研制。我国电能质量控制与治理技术在国家相关标准颁布之后已经取得一定成效，目前已经掌握了代表电能质量控制装置技术水平的电能质量控制器（ASCG）的技术，并生产出了相应产品，而目前只有美国、日本、德国掌握了这项技术，但大容量电能质量控制器的研制还与国外有一定的差距，还需进一步加强投入。（2）无功补偿的意义发电机发出的功率包含了有功功率和无功功率，有功功率通过各种设备转换为其他形式的能量直接产生经济效益，而无功功率只在电力系统内部不同设备间交换用以建立电力设备工作的电磁环境，其本身不做功不直接产生经济效益，因此称为无功功率。电力系统本身对无功功率的需求比有功功率大，若综合有功发电最大负荷为100%，则无功总需求约为120%~140%，它包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功损耗，而发电机的功率因数一般大于0.8，所以单靠发电机发出无功功率是不能平衡电力系统无功需求的。大量的无功功率在线路中传输将不可避免的造成输电线路、变压器损耗增大，造成线路电压降落并影响用户供电质量，直接从发电机索要无功将使发电机的有功出力减少，因此长距离输送无功功率也是电力系统不允许的。用户无功缺乏将导致设备功率因数偏低，设备运行功率达不到额定功率，效率低下。所以为了减少有功损失和电压降落，释放变压器、发电机容量、提高用户设备利用率和电网供电质量，在负荷中心需要加装无功功率电源，进行无功功率补偿，以实现电力系统的无功功率平衡。此外根据当前国务院“节能减排”的工作部署，电力系统领域利用无功补偿提高设备的利用率、充分利用发电机的出力从而降低对化石燃料的需求也是“节能减排”的重要途径。（3）谐波治理的意义如前所述，谐波问题已成为电能质量中最为引人关注的问题，谐波会造成电力系统电压畸变，使电能的生产、传输和利用的效率降低，其危害还体现在：a)对用电设备安全运行的影响和危害，包括：——引起各类电机和变压器的局部过热、过电压、机械振动和降低输出功率；——增加电容器和电缆绝缘介质的局部放电和温升，引起机械振动，缩短使用寿命等。——引起计算机及其系统的数据丢失、误显示、误传、元件损坏等事故；——引起电视机图像变坏、翻滚，引起其他视听设备的杂音等。b)对电力系统安全运行的影响和危害，包括：——降低断路器、避雷器、电压互感器的正常功能，严重时直接损坏这些设备；——引起继电保护和其他自动装置的误动、拒动或损坏，直接危及系统的安全运行；——增大电力系统的线损，增加电能表和其他常规表计的误差。c)对通信系统的电磁干扰，引起电话杂音，有时出现过电压等。由谐波引起的诸多问题可以看到谐波治理已是刻不容缓，降低谐波产生的危害将对社会生活、工业生产产生巨大效益，谐波治理的意义更可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识，对于电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。（4）无功补偿与谐波治理的关系无功补偿主要用于补偿系统无功功率，谐波治理主要用于净化电网谐波污染，虽然二者分属不同的领域和研究方向，但他们之间的紧密联系以体现在实际应用的各个方面。总结来说主要有以下几点原因：a)谐波治理属改善电能质量的范畴，无功补偿同样可以改善供电系统的电压质量,因此在电能质量领域二者有此紧密联系。b)在无谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义，而在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除其本身的问题外，也影响负载和电网的无功功率，谐波功率不产生任何效益，也可认为是“无功”功率。c)产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置。d)目前为止谐波治理装置大都是补偿基波无功功率的装置，如广泛应用于各领域的LC滤波器。正因此，谐波治理和无功补偿在实际应用领域经常被提在一起。二、无功补偿装置与谐波治理装置的现状介于无功补偿和谐波治理在生活生产中的现实意义，国内外在无功补偿和谐波治理装置的研究方面作了大量的工作。无功补偿装置从最早期的同步调相机补偿，到如今广泛应用的电力电容器补偿，再到结合现代电力电子技术的各种静止补偿装置，谐波治理装置从广泛应用的LC滤波器到基于电力电子技术和现代控制技术的有源电力滤波器（APF），都经历几代的变迁和技术的飞跃。（1）无功补偿装置的类型和特点无功补偿装置种类繁多，随着时代和技术的发展主要经历了以下几种：同步调相机、电力电容器和并联电抗器、静止补偿器等。相对于旋转机械的同步调相机而言，后三种可称为静止设备。a)同步调相机实际上是一台空载运行的同步电动机，在过励磁时可发出无功功率，欠励磁时可以吸收无功功率，调节均匀简单，其自动励磁调节装置能使同步调相机在端电压波动时自动调节无功功率，维持电压及系统的稳定，适用于大型变电站所进行集中补偿，其缺点是投资大，功率损耗大，动态响应的时间也较长，因为是旋转设备运行维护工作量也较大。总体上来说，这种补偿手段已显陈旧，已有逐渐被取代的趋势。b)电力电容器能够补偿负荷感性无功以提高功率因数，故又称为移相电容器，它常并接于6.3、10.5或35KV母线上，故又称为并联电容器，在电力系统常用的无功功率补偿设备中并联电容器的费用最低，有功功率损耗最小，运行维护最简便，可集中安装，也可分散安装在用户处或近负荷中心的地点，实现无功的就地补偿，因此应用广泛。它的主要缺点是电压调节效应差，并且不能像同步调相机那样连续调节无功功率和吸收滞后的无功功率，在系统中含有谐波时还有可能与系统发生并联谐振，使谐波放大。在实际应用领域并联电容器补偿装置按电压等级可分为低压补偿装置和高压补偿装置，按投切方式可分为自动投切补偿装置和手动投切补偿装置，按响应速度可分为动态补偿装置和静态补偿装置，按补偿方式还可分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。c)并联电抗器并接于系统输电线路上，用于吸收高压电力网过剩的无功功率和远距离输电线路的参数补偿。含有超高压架空线路和高压电缆的电力网中，轻负荷运行时各线路分布电容产生的无功功率大于线路电抗中消耗的无功功率，因此会出现无功功率过剩现象，利用并联电抗器可以就近吸收线路的无功功率，防止电力网电压过高。d)静止补偿装置是近年来随着大功率可控型电力电子开关的发展而发展起来的，是柔性交流输电系统的重要组成部分。静止无功补偿装置(SVC)，广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量应用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器＋固定电容器（TCR+FC），静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角实现的。另外一种常见的SVC形式是晶闸管投切电容器（TSC），但它只能分组投切，不能连续调节，只有和TCR配合使用才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。SVC的调节连续且响应迅速，因此可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，是目前同步调相机的主要替代方案。比SVC更先进的现代补偿装置是静止无功发生器（SVG），它也是一种电力电子装置，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制可使其发出无功功率也可吸收无功功率，采用PWM控制，可使其输入电流接近正弦波。（2）谐波治理装置的类型和特点解决电力系统的谐波污染问题主要有两点解决思路，一是抑制谐波的产生，对电力电子装置进行改造使其不产生谐波，这是从根本上解决谐波问题的途径，但也只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一条就是装设谐波治理装置滤除谐波。这是目前普遍可行也应用广泛解决方法。装设谐波治理装置最传统的方法就是采用LC无源调谐滤波器，其原理是利用滤波电抗器（L）和滤波电容器（C）和滤波电阻器（R）组成调谐支路，给特征谐波形成公用电网之外的低阻抗通路，使流入公用电网的谐波满足相应要求，这种方法治理谐波简单可靠，滤除谐波的同时还能补偿基波无功功率，结构简单，综合计算起来投资少、维护简便，是目前应用最广泛的谐波治理装置。这种方法主要的缺点是治理效果受电网运行方式和阻抗影响较大，参数设置不正确易与系统发生并联谐振，导致谐波放大甚至滤波器过载烧毁。谐波治理装置的另一个发展趋势是有源电力滤波器（APF），有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是先从需治理的线路中检测出谐波电流，然后由滤波器产生一个与检测的谐波电流大小相等极性相反的电流与线路中的谐波电流叠加，从而使电网电流只含基波分量。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：a）不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；b)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；c)具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。有源滤波器这种优异的治理效果，目前已得到广泛的重视，但因其成本偏高，应用范围受到一定限制，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到广泛应用。为了综合无源滤波器的低成本和有源滤波器优异的滤波性能，混合型滤波器应运而生，该型滤波器通过无源滤波器进行无功功率补偿并滤除特征谐波的主要部分，其余谐波通过有源滤波器滤除，能同时实现大容量无功补偿和谐波治理的要求，并同时降低投资成本，混合型滤波器是谐波含量较大且成分复杂工况的有效解决方案。三、我所在该领域的研究方向和进展我所谐波治理装置的研究正式起步于2002年，借助于直流换流站、高功耗业主、各地中试所等合作单位，获得了大量试验数据和工程经验，开发了FC中高压电力系统补偿滤波装置，该型滤波装置