淺談有源和無源產(chǎn)品在無功補償與諧波治理中的應(yīng)用

    隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負載，如變頻器、UPS、計算機、電弧爐、大型軋鋼機、電力機車等，由于它們均以開關(guān)方式工作的，會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，從而引起電網(wǎng)的諧波“污染”。濾除諧波和無功補償，是電能質(zhì)量領(lǐng)域兩個主要課題，基本上代表了工業(yè)界電能質(zhì)量問題。

    電力線路的諧波抑制和無功補償方法有兩大類：一類是對電力電子裝置本身進行改造的方法；另一類是設(shè)置補償裝置的方法，目前，采用的補償方式主要有：無功補償、無源濾波器和有源電力濾波器，另外還有一種新型的無源補償與有源濾波器聯(lián)動混合使用。

    過去無功補償問題居首要地位，濾除諧波問題居次要地位。因而目前市場中大量服役的是電容加電抗器組，電抗率一般在5%-7%之間，在無功補償?shù)耐瑫r兼有一定的濾除諧波作用。但是，近年來隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)代設(shè)備其自身的原始功率因數(shù)越來越高。例如，有些變頻器的功率因數(shù)已達到0.95；而另一方面，現(xiàn)代設(shè)備的非線性特性卻越來越強，諧波排放量越來越大，使得電網(wǎng)的諧波污染問題日益突出。因此。濾除諧波正逐漸地上升為主要問題。

1、現(xiàn)有的各種濾波補償方案之比較

    縱觀諧波補償領(lǐng)域，現(xiàn)有產(chǎn)品大致分為如下三類：

（1） 脫諧的電容加電抗器組

    一般以5%~7%電抗率來串電容器加電抗器組，這類產(chǎn)品目前在市場中占大多數(shù)。優(yōu)點是性價比很高，缺點是吸收諧波能力較弱。需要大量的投入這種電容器加電抗器組才能取得一定的濾波效果，而在無功功率需求不大的場合下，投入的電容器加電抗器組很少，很難收到濾除諧波的效果。其濾波頻帶較窄，主要針對五次諧波，在高諧波場合下運行表現(xiàn)不佳，電抗器噪聲大，發(fā)熱嚴重，電容器損耗高。

（2）單調(diào)諧無源濾波器

    單調(diào)諧無源濾波器是將電容器和電抗器組的串聯(lián)諧振頻率設(shè)置在某一諧波頻率點上構(gòu)成極低的諧波阻抗來達到分流該次諧波電流的目的。其優(yōu)點是濾除諧波效果好，缺點是性價比比較差。其頻帶很窄，僅濾除某一次諧波，多個諧波成分并存的場合則需要安裝多個濾波器。該產(chǎn)品屬于個性化定制產(chǎn)品，設(shè)計和制造困難，成本較高。在高諧波場合下同樣運行表現(xiàn)不佳。

（3）有源濾波器

    有源濾波器（APF）通過實時采集諧波和無功信號，實際為三相變流器，由大功率的開關(guān)器件（IGBT）及驅(qū)動保護電路組成，從與電網(wǎng)和負載連接結(jié)構(gòu)看，整個系統(tǒng)實質(zhì)上是并聯(lián)型的補償裝置，其基本工作原理是為檢測電路檢測被補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號；該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。PWM方式實時的發(fā)出補償電流用于濾除諧波和無功補償，二者效果都十分理想。有源濾波器具有反應(yīng)速度快，補償精度高，濾波效果好，不會發(fā)生諧振等優(yōu)點，是專業(yè)型的濾波產(chǎn)品。缺點是造價較高，阻礙其市場推廣。

2、有源濾波聯(lián)動無源補償

    以小容量的有源濾波器承擔濾除諧波及補償快速波動的負荷成分，而基荷的無功功率則主要由無源的電容器加電抗器承擔，二者統(tǒng)一由一個聯(lián)動型控制器進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)最優(yōu)組合。

    其中，晶閘管投切無功補償和濾波裝置的主要作用是作為無功補償電容器、加電感而成為濾波器裝置且采用晶閘管分組投切的無源電力濾波器，稱之為晶閘管投切電力濾波器，簡稱采用多組結(jié)構(gòu)，其主要目的是為了無功補償和抑制低次諧波電流,根據(jù)大量諧波源的頻譜分析可知，諧波源能量主要集中在較低次諧波頻率上,電力系統(tǒng)中諧波電流主要是5，7次，其次是3,11,13次，故電感和電容參數(shù)的選擇按照無功功率補償?shù)男枰?，?次5次和7次諧波濾波器來配置，可組成多級補償狀態(tài)，根據(jù)負荷無功電流的大小，由晶閘管投切來達到分級補償?shù)哪康模@樣在工頻狀態(tài)時為正常的無功補償狀態(tài)，全諧振狀態(tài)和脫諧狀態(tài)時為濾波狀態(tài)，既可以補償又可以濾除諧波，但其本質(zhì)上仍是無源濾波器。

    針對目前電力系統(tǒng)諧波抑制和無功補償?shù)奶攸c和現(xiàn)狀,提出了將晶閘管投切無源濾波器TCS和有源電力濾波器APF聯(lián)動使用, 使諧波抑制和無功補償融為一體,保證了電容器的安全運行.并采用檢測負載電流和電網(wǎng)諧波電流的復(fù)合控制方法,既可有效抑制電網(wǎng)諧波電流,又可防止無源器件與電網(wǎng)間發(fā)生的諧振,達到理想的綜合控制效果。采用無源濾波器和有源電力濾波器并聯(lián)后再一同并入電網(wǎng)的混合使用方式，對電網(wǎng)諧波和無功進行綜合補償，既可保證無功功率的補償，又能徹底抑制諧波，同時保證了電容器的安全運行。 

    鑒于有緣于無源在濾除諧波和無功補償各有優(yōu)勢，宜將二者聯(lián)合起來，揚長避短，以實現(xiàn)最優(yōu)性價比。

3、結(jié)束語 

    本文在介紹諧波和無功功率有源補償技術(shù)的基礎(chǔ)上，將諧波抑制和無功功率補償融為一體，采用將有源電力濾波器和晶閘管投切濾波器聯(lián)動方式，且濾波器中電容容量完全按無功補償需要選取的方案，文中進行了實驗研究理論分析和實驗結(jié)果均表明：所選方案和控制方法是正確的、可行的，對電網(wǎng)諧波污染和無功損耗均有很好的抑制和補償作用，為改善電能質(zhì)量提出了新的解決方案。