浅谈有源和无源产品在无功补偿与谐波治理中的应用

程爱玲

摘要：本文分析了无功补偿和谐波治理的必要性，对各种滤波补偿方案进行比较，分析得知采用将有源电力滤波器和晶闸管投切滤波器联动方式，将谐波抑制和无功功率补偿融为一体，对电网谐波污染和无功损耗均有很好的抑制和补偿作用，为改善电能质量提出了新的解决方案。

关键词：电能质量谐波功率因数无源有源滤波

0引言

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，如变频器、UPS、计算机、电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，由于它们均以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，从而引起电网的谐波“污染”。滤除谐波和无功补偿，是电能质量领域两个主要课题，基本上代表了工业界电能质量问题。

电力线路的谐波抑制和无功补偿方法有两大类：一类是对电力电子装置本身进行改造的方法；另一类是设置补偿装置的方法，目前，采用的补偿方式主要有：无功补偿、无源滤波器和有源电力滤波器，另外还有一种新型的无源补偿与有源滤波器联动混合使用。

过去无功补偿问题居首要地位，滤除谐波问题居次要地位。因而目前市场中大量服役的是电容加电抗器组，电抗率一般在5%-7%之间，在无功补偿的同时兼有一定的滤除谐波作用。但是，近年来随着技术的进步，现代设备其自身的原始功率因数越来越高。例如，有些变频器的功率因数已达到095；而另一方面，现代设备的非线性特性却越来越强，谐波排放量越来越大，使得电网的谐波污染问题日益突出。因此。滤除谐波正逐渐地上升为主要问题。

1现有的各种滤波补偿方案之比较

纵观谐波补偿领域，現有产品大致分为如下三类：

11 脱谐的电容加电抗器组

一般以5%～7%电抗率来串电容器加电抗器组，这类产品目前在市场中占大多数。优点是性价比很高，缺点是吸收谐波能力较弱。需要大量的投入这种电容器加电抗器组才能取得一定的滤波效果，而在无功功率需求不大的场合下，投入的电容器加电抗器组很少，很难收到滤除谐波的效果。其滤波频带较窄，主要针对五次谐波，在高谐波场合下运行表现不佳，电抗器噪声大，发热严重，电容器损耗高。

12 单调谐无源滤波器

单调谐无源滤波器是将电容器和电抗器组的串联谐振频率设置在某一谐波频率点上构成极低的谐波阻抗来达到分流该次谐波电流的目的。其优点是滤除谐波效果好，缺点是性价比比较差。其频带很窄，仅滤除某一次谐波，多个谐波成分并存的场合则需要安装多个滤波器。该产品属于个性化定制产品，设计和制造困难，成本较高。在高谐波场合下同样运行表现不佳。

13 有源滤波器

有源滤波器（APF）通过实时采集谐波和无功信号，实际为三相变流器，由大功率的开关器件（IGBT）及驱动保护电路组成，从与电网和负载连接结构看，整个系统实质上是并联型的补偿装置，其基本工作原理是为检测电路检测被补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号；该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。PWM方式实时的发出补偿电流用于滤除谐波和无功补偿，二者效果都十分理想。有源滤波器具有反应速度快，补偿精度高，滤波效果好，不会发生谐振等优点，是专业型的滤波产品。缺点是造价较高，阻碍其市场推广。

2有源滤波联动无源补偿

以小容量的有源滤波器承担滤除谐波及补偿快速波动的负荷成分，而基荷的无功功率则主要由无源的电容器加电抗器承担，二者统一由一个联动型控制器进行协调控制，实现最优组合。

其中，晶闸管投切无功补偿和滤波装置的主要作用是作为无功补偿电容器、加电感而成为滤波器装置且采用晶闸管分组投切的无源电力滤波器，称之为晶闸管投切电力滤波器，简称采用多组结构，其主要目的是为了无功补偿和抑制低次谐波电流，根据大量谐波源的频谱分析可知，谐波源能量主要集中在较低次谐波频率上，电力系统中谐波电流主要是5，7次，其次是3，11，13次，故电感和电容参数的选择按照无功功率补偿的需要，以3次5次和7次谐波滤波器来配置，可组成多级补偿状态，根据负荷无功电流的大小，由晶闸管投切来达到分级补偿的目的，这样在工频状态时为正常的无功补偿状态，全谐振状态和脱谐状态时为滤波状态，既可以补偿又可以滤除谐波，但其本质上仍是无源滤波器。

针对目前电力系统谐波抑制和无功补偿的特点和现状，提出了将晶闸管投切无源滤波器TCS和有源电力滤波器APF联动使用， 使谐波抑制和无功补偿融为一体，保证了电容器的安全运行并采用检测负

载电流和电网谐波电流的复合控制方法，既可有效抑制电网谐波电流，又可防止无源器件与电网间发生的谐振，达到理想的综合控制效果。采用无源滤波器和有源电力滤波器并联后再一同并入电网的混合使用方式，对电网谐波和无功进行综合补偿，既可保证无功功率的补偿，又能彻底抑制谐波，同时保证了电容器的安全运行。

鉴于有缘于无源在滤除谐波和无功补偿各有优势，宜将二者联合起来，扬长避短，以实现最优性价比。

3结束语

本文在介绍谐波和无功功率有源补偿技术的基础上，将谐波抑制和无功功率补偿融为一体，采用将有源电力滤波器和晶闸管投切滤波器联动方式，且滤波器中电容容量完全按无功补偿需要选取的方案，文中进行了实验研究理论分析和实验结果均表明：所选方案和控制方法是正确的、可行的，对电网谐波污染和无功损耗均有很好的抑制和补偿作用，为改善电能质量提出了新的解决方案。

参考文献：

[1]王兆安，杨君，刘进军，王跃谐波抑制和无功功率补偿机械工业出版社，2005

[2]谷永刚，肖国春，王兆安晶闸管投切电容器技术进展 高压电器2003（02）

[3]朱罡电力系统静止无功补偿的现状和发展 电力电容器 2001（04）