解析电容器无功补偿中的谐波治理

　　在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中电网以感抗为主电容器支路以容抗为主。在工频条件下并联电容器的容抗比系统的感抗大得多，可发出无功功率对电网进行无功补偿。但在有谐波治理背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言，电网感抗显着增加而补偿系统容抗显着减小导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的1.3倍，电容器将会因过流而产生故障。

　　谐波源有两种一种是谐波电流源，这些用电设备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况基本上与供电系统参数无关。另外一种是谐波电压源。发电机在发出基波电势的同时也会有谐波电势产生，其谐波电势大小主要取决于发电机本身的结构和工作状况。实际上，在电网中运行的发电机和变压器等电力设备，输出的谐波电势分量很小几乎可以忽略。因此，在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源，主要是谐波电流源。谐波治理针对无功补偿系统的调谐频率，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源则该谐波将直接被放严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。

　　一、谐波与串联谐振

　　当上电网系统电压波形严重畸变时此时的谐波源相当于一个很大的电压源。谐波电压将在变压器的感抗和电容器的容抗间形成串联回路。当感抗和容抗相等时，将形成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形成强大的电流直接流经补偿电容器使电容器因过流而迅速故障。

　　二、谐波与并联谐振

　　当电网中的谐波主要由非线性用电负荷产生时，此时的谐波源可看作一个很大的电流源，其产生的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形成并联回路。当电网阻抗和电容器阻抗相等时，将形成并联谐振。此时，即使系统中的N次谐波电流不大，流入电容器的N次谐波电流也将会很大（理论上为无穷大，实际上，由于存在电阻，谐波电流为一很大的有限值），被放大的谐波电流流经电容器时可导致其内部组件过热而出现故障。

　　无源滤波器是传统的进行无功补偿和谐波治理的方法，具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此被广泛采用。但是无源滤波器的滤波性能受系统和负载参数的影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消除特定次的谐波，动态性能相对较差，无功补偿效果也不是很理想。为此，急需开发出新的装置来弥补上述缺陷。

　　由以上分析可见在有谐波治理背景的供电系统中单独使用电容器进行无功补偿时若发生并联谐振或串联谐振大部分谐波电流将流随着电力电子技术的发展，用晶闸管实现的静止无功补偿装置因其优良的性能而被广泛应用。例如，有一种兼有谐波治理功能的动态无功功率补偿装置叫做晶闸管投切电容器TSC这种装置性能良好，被很多场合采用，但线路组成比较复杂，故障点多，维护量相对较大。该装置根据局部电网功率因数设置固定电容器，根据谐波的阶次由电抗器串联固定电容器组成LC谐波吸收回路根据电网功率因数变化量来调节相控电抗器的大小实现局部电网无功补偿和谐波治理。相对TSC来说，该装置线路简单，故障率低，运行也较稳定，值得推广。

　　对于系统中常见的主要的谐波，可接近谐振并呈现很低的阻抗，使谐波电流流入滤波器，从而可同时达到无功补偿和滤除谐波的目的。由于系统中存在的谐波电流通常有多个频率，若采用单调谐滤波器来滤除谐波，则需安装多个滤波器。此时需注意，在投切滤波器时，必须从低次向高次逐次投入，而在切除时则必须从高次向低次依次切除。否则，不仅不能达到抑制谐波电流的作用，反而会将其放大。研究表明，该装置结构简单，易于实现，有实际应用和推广价值。近来又开发出一种新型无功补偿兼谐波治理装置--晶闸管投切滤波器。它兼有传统TSC和电力滤波器的优点，并且可抑制因负载变动而引起的电网电压波动。在基波频率下，TSF的基波阻抗呈容性，可向系统输出无功功率，并且其大小可通过晶闸管进行调节。

　　串联型有源电力滤波器APF通过一个匹配变压器， 将APF串联于电源和负载之间控制工程网版权所有，以消除电压谐波， 平衡或调整负载的端电压， 适合于补偿电压型谐波源。与并联型APF相比， 它的损耗较大，且各种保护电路也较复杂。因此， 很少研究单独使用的串联型APF, 而大多数将它作为混合型APF的一部分予以研究。

　　并联型APF主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型APF在技术上已较成熟， 是当前应用广泛的一种APF拓扑结构。

　　随着电力电子器件性能的提高， 成本不断下降， 它可能被性价比更高的串并联型滤波器代替。SHAPF是在串联型APF的基础上使用一些大容量的无源L一C滤波网络来承担消除低次谐波， 进行无功补偿的任务， 而串联型APF只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型APF的电流、电压额定值大大减少（功率容量可减少到负载容量的5%以下），降低了APF的成本和体积。从经济角度而言， 这种结构形式是一种值得推荐的方案。

　　有源电力滤波器的投入还可有效地抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除， 而是起到提高无源滤波器滤波效果的目的， 它所产生的补偿电压中不含有基波电网电压， 只含有谐波电压， 故其功率容量很小， 具有良好的经济性， 适于对大容量的谐滤负载进行补偿。APF与PF串联后与电网并联的结构中有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。对于电源电压中的畸变电压， 有源滤波器被控制产生与其相同的谐波补偿电压， 以抑制电源电压畸变产生的谐波电流。

　　在使用并联有源电力滤波器与并联PE组成的混合有源电力滤波器（图5示）的系统中谐波主要由无源滤波器补偿， 而有源滤波器除了补偿剩余谐波控制工程网版权所有， 也用来改善无源滤波器的补偿特性， 抑制并联谐振。这种结构可以克服单独使用无源滤波器的缺点， 又可减小有源滤波器的容量， 降低了系统成本。但在APF与PE之间以及电网与APF之间存在谐波通道， 可能使APF注入电网的谐波又流入PE及系统中。

　　串并联型有源电力滤波器兼有串、并联APF的功能， 可以抑制闪变、补偿谐波、消除共同辐合点处的三相电压不平衡。