谐波抑制、无功补偿及其仿真的研究综述

王琳

摘 要 本文首先阐述了谐波及无功问题的研究背景及意义，并分析了谐波抑制及无功补偿的应用现状。然后简要介绍了有源电力濾波器原理，并比较畸变电流和经过有源滤波器滤波后电流的畸变程度。最后，利用Simulink模块模拟现实电路，得到与无功功率补偿的相关数据，并比较没有无功功率补偿和有无功功率补偿终端电压的稳定性。通过仿真结果，可以看出谐波抑制及无功补偿的应用效果。

关键词 谐波抑制 无功补偿 有源电力滤波器 MATLAB仿真

中图分类号：TM935.2 文献标识码：A

0前言

随着电力电子技术在电力系统中的推广，高效的利用电能的同时，随之所带来的电能质量问题引起了广泛关注。电力电子设备、非线性负载所产生的谐波对电网的污染日益加重。而且功率因数低的电力电子装置会影响电能质量，并给电网带来额外负担。因此，关于谐波抑制及无功补偿的研究课题引起了业界广泛关注。为了不让谐波污染及功率因数低阻碍电力电子技术在电力系统中的发展，需要对抑制谐波污染、无功补偿开展深入研究。目前，国内外已经采取各种谐波抑制方法，并且也得到广泛的应用。但还有不足，未能达到预想的效果，这需要进一步扩充基础理论研究，来提出更为有效的方法。

谐波抑制研究的意义在于谐波不仅影响电能质量，而且还降低电能的使用效率，缩短设备使用寿命，因过热而绝缘老化，严重会导致发生故障或烧毁。同时引起并联谐振或串联谐振，放大谐波含量，严重会导致电容器等设备烧毁。并且干扰通信设备和电子设备，引起电气装置装置误动作，导致出现设备运行故障。

无功补偿研究的意义在于无功功率影响供电系统和负载的稳定运行，一旦无功功率增加会导致供电设备视在功率增大，从而导致设备的尺寸和规格增大。无功功率的增加会导致设备及线路损耗增加，变压器及线路压降增大，从而导致电网电压剧烈波动。

1目前应用现状和发展趋势

1.1 谐波抑制的应用现状和发展趋势

无源LC滤波器因具有结构简单，投资少，可靠性高，运行费用低等特点被广泛应用，但缺点是当补偿特性受到电网阻抗和运行状态影响时，和系统发生并联谐振，导致谐波放大，导致过载甚至烧毁。相对于，有源电力滤波器（APF）能够对频率和大小都在变化的谐波进行动态补偿，补偿特性是不受电网阻抗和频率变化影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果。

从近年来看其发展趋势：一是通过采用PWM调值技术和提高开关器件等效开关效率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统的大容量；二是采用PPF和APF组成的混合型电力滤波器系统，可减少APF的容量，达到降成本、提高效益的目的。

1.2 无功补偿的应用现状和发展趋势

在电力系统中，可以采用并联电容器、静止无功补偿装置SVC、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）等补偿无功功率的方法。静止无功补偿装置（SVC）用于负载无功补偿和输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿。

目前补偿装置有应用最多的静止无功补偿装置（TCR、TSC等）以及有应用前景的静止无功发生器（SVG），将以电力电子技术为核心作为无功补偿技术未来发展的主要趋势，开发出性能更为优越的装置。

2有源电力滤波器原理及其仿真

有源电力滤波器工作原理是能够产生一组与所测到的畸变谐波电流相位相反的谐波电流，谐波因此被抵消，从而形成一个无畸变的正弦电流。通过以下几个例子来说明有源电力滤波器的工作原理。每个例子都给出一个畸变谐波电流波形的样本以及相应的由有源电力滤波器产生的用以消除该谐波电流的电流。图1-5给出不同畸变电流与有源电力滤波器电流补偿关系。

3无功补偿系统仿真

3.1负载为纯电阻的仿真

在Simulink中，搭建负载为纯电阻的主电路的仿真模型，如图6所示。

设置三相传输线路阻抗为200€%R。使用三相电阻负载，调整E1到300V，并且在以后的实验中保持300V不变，逐渐改变三相电阻负载的阻值，同时保持它们的三相平衡，记录下E1、P1、Q1、E2、P2、Q2的值，如表1。

3.2负载为R与C并联的仿真

在Simulink中，搭建负载为R与C并联的主电路的仿真模型，如图7所示。

使用三相阻容负载，保持E1=300V不变，调整负载电容XC的值，让负载R对应的每个E2的值接近于300V，并记录电容值XC，有功功率P1和P2，无功功率Q1和Q2的值。如表2、图6、图7。

3.3仿真结果分析

由表1和表2中的E2和P2的值，以E2为纵坐标，以P2为横坐标，分别作图得到图8。从仿真的结果看，并联无功补偿可以使得终端电压趋于稳定。电压表达式如下：

由式（5）知，当R与C并联时，负载增大即电阻R减小，整个电路中的电流I会增大。当电流I增大且线路电抗XL不变时，UL会增大，这时可以调节XC的大小来调节UC的大小，让UC增大去抵消UL增大，从而保证U的大小基本保持不变（如图8）。

4结语

从谐波抑制及无功补偿两个方面进行MATLAB仿真及分析，一方面是有源电力滤波器所产生的电流可抵消谐波电流，从而起到谐波抑制的作用，仿真的结果也很好的说明这点。另一个方面则是通过对实际电路的仿真，对比没有无功补偿及有无功补偿这两种情况，并用MATLAB作图对其进行分析，得出终端电压的稳定性受无功功率影响。从仿真结果看，谐波抑制及无功补偿都取得较好的效果。

参考文献

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