解决配电网中补偿电容器谐波的关键

2018-04-11

电网中存在的谐波与大量运行的并联电容器组相互作用,会产生谐波放大甚至出现并联谐振,严重影响电能质量和电网的安全经济运行。本文分析谐波的产生原理、危害,研究了抑制谐波放大的方法,得出了解决电容器谐波问题的关键。


随着现代工业的发展,电子装置的应用日益广泛,配电网中的谐波污染也日益严重。换流设备和电弧炉等非线性用电设备产生大量谐波注入电网,造成电压波形畸变,使电能质量下降,给发供电设备的安全经济运行造成较大影响。当配电网中的电压波形发生畸变时,接入并联补偿电容器后,可能发生并联谐振,使谐波电流放大,影响电网的正常运行且减少电容器的使用寿命。


谐波对并联电容器的危害

电网谐波与并联电容器的运行有较大的关系,因为电容器可能使电网中的谐波电流放大,有时甚至在电网中产生谐振,使电器设备受到严重损坏,破坏电网的正常运行。在供电系统中作为无功补偿用的并联电容器,对于某次谐波若与呈感性的系统电抗发生并联谐振,则可能出现过电压而造成危害。过大的谐波电流可能使电容器寿命缩短、鼓肚、熔丝群爆甚至烧损。


谐波抑制方法的分析

通常对配电网来说,对谐波进行抑制是很必要的,实际中应用的方法主要有两种:⑴使用串联电抗的无功补偿电容组。相当于再电容旁边串联一个电抗,从而消除由于电路成容性而带来的谐波震荡;⑵使用电力有源滤波器,滤除高次谐波。

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电力有源滤波器的基本原理图

使用电力有源滤波器抑制谐波,具体有以下分类:

(1)并联单独使用方式

这是电力有源滤波最基本的构成方式。将PWM逆变器并联在电网上,相当于一个受控电流源,产生与负载谐波大小相同而方向相反的谐波电流,使得电源电流被补偿为正弦。这种方式下,电源基波电压全部加在逆变器上,因而装置容量较大。这种方式的电力有源滤波器具有连续调节无功功率的功能,能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。一般适用于感性负载。

(2)串联单独使用方式

将有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之间,相当于一个受控电压源。通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压,可以消除电源电压可能存在的畸变,从而使电源电流为正弦。适用于容性负载。

(3)与LC滤波器并联使用

这种方式是将PWM逆变器和LC滤波器全部一起并联到电网里,LC滤波器则可以用来与有源滤波器分担补偿相同次数的谐波,则可降低所需逆变器的容量,若用来补偿较高次的谐波,则起到了补充有源滤波器补偿性能的作用。在这种方式下,有源滤波器也可以对无功功率进行调节。

(4)与LC滤波器串联使用

这种方式是先将PWM逆变器和LC滤波器串联起来,然后把串联后的电路全部一起并联间的并联谐振,即所谓的谐波放大现象,以改善 LC滤波器的谐波补偿效果。其逆变器不承受基波电压,因而逆变器的装置容量大大减小。

(5)与LC滤波器混联使用

将有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之间,相当于一个受控电压源。与方式(3)等效。由于其所需逆变器的装置容量很小,一般不超过负载容量的3%,因而颇受关注。


两种方法的比较

对于串联电抗抑制谐波的方法,因为原理简单,容易理解而且实现并不困难,因此被认为是一种高效成熟的抑制方法。但是由于其本质上是将系统整个的容性降低,这势必影响到无功补偿的效果。所以对于电抗值的选取要依据不同的要求来进行,因而对于多个无功补偿站的复杂系统来说,存在不小的困难。

对于用电力有源滤波器进行谐波抑制的方法,适应性强,是从根本上消除谐波的方法,而且对于无功补偿的影响基本可以忽略。所以是抑制性能较强的一种方法。但是由于电力系统的滤波器需要很高的成本,而且滤波具体的实现原理比较复杂,需要的开销要大的多。所以现在未被广泛使用。


配电网中谐波的限制措施

谐波源就是接入电网的非线性负载元件,从电网取得50Hz基波电流,同时向电网注入两倍于50Hz及以上整数倍频率的电流的电气设备。谐波源有两种,谐波恒流源和谐波恒压源。在电网中存在并实际发生作用的谐波源主要是谐波恒流源。各种非线性负荷元件,如换流装置、电弧炉、感应加热炉等都为谐波恒流源。

所以限制措施为:一是对谐波源采取措施,减少谐波含量,;二是限值并联电容器对谐波的放大程度;三是综合考虑电容器和电抗器对谐波的承受能力,当超出承受范围时,应考虑采用滤波器。

配电网有电压水平低,用电负荷沿线分流,负荷率低,功率因素变化频繁等特点,一般电网谐波随着时间和负荷在不断变化的,所以串联电抗器是普遍采用的方法。配电网的补偿电容器的主要作用是补偿基波无功电流,不应承担滤波作用,电容器组只要不出现谐波谐振和谐波严重放大,就可以基本保证电能质量及电网的安全运行。

滤波器安装在用户站比较合理,经济。单独使用的并联型有源滤波器可以连续调节无功功率,产生与负载谐波相反的谐波电流,调节灵活,动态效应比较好。与LC滤波器串联使用的并联型有源滤波器抑制谐波放大作用也很好,而且装置中的逆变器容量不大,成本不高。这两种有源滤波器在配电网中应该有很好的应用前景。


(摘编自《电气技术》,原文标题为“配电网中补偿电容器谐波放大的抑制”,作者为邹德增。)


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