常 曉 王 霜

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 45000250002）

電力系統(tǒng)諧波（harmonic wave of power system），從嚴(yán)格的意義來講，是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其中大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，在此諧波定義的基礎(chǔ)上有了“分?jǐn)?shù)諧波”“間諧波”“次諧波”等說法；同時(shí)，大量非線性的負(fù)荷接入電網(wǎng)也導(dǎo)致了電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，即電壓和電流不同相[1]。

配電系統(tǒng)所跨區(qū)域很廣，具有分布性；其次，配電系統(tǒng)中負(fù)荷通過供電線路互相聯(lián)接在一起，具有強(qiáng)耦合性。諧波使介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電纜的使用壽命縮短，事故概率和修理費(fèi)用增加。例如若變壓器中注入高次諧波，其附加的銅耗和鐵耗會(huì)增加[2]。電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)給供電系統(tǒng)、用戶帶來直接或間接的危害，影響公用電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

利用諧波濾除和無功補(bǔ)償裝置來濾除電力系統(tǒng)諧波和補(bǔ)償無功，裝置發(fā)展脈絡(luò)隨著電力電子器件的研制和發(fā)展不斷更新。無功補(bǔ)償主要是濾除諧波的，只有極個(gè)別諧波抑制裝置有補(bǔ)償無功的作用。

1 諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展脈絡(luò)

1.1 就地電容補(bǔ)償

最早可采用調(diào)整同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方法來補(bǔ)償無功，也可以使用同步調(diào)相機(jī)等裝置來進(jìn)行無功補(bǔ)償，但是由于并聯(lián)電容器經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單、方便靈活，早期使用很廣泛，但是其補(bǔ)償不足時(shí)會(huì)與電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生相互影響。

電容集中補(bǔ)償，電網(wǎng)無功負(fù)荷的電容器補(bǔ)償方式，多是在高壓10kV電網(wǎng)側(cè)集中地投入大容量的電容器組，或者是在車間、變電所、配電室的低壓側(cè)集中地投入大容量的電容器，這些集中的電容器組，雖然實(shí)現(xiàn)了無功負(fù)荷的補(bǔ)償，但是由于大量的、分散的無功負(fù)荷的存在，以集中電容器組的補(bǔ)償方式，其安裝地點(diǎn)和運(yùn)行管理，很難取得最佳方案而獲得好的經(jīng)濟(jì)效果。也就是說，集中的電容器組，雖然補(bǔ)償了電網(wǎng)的無功功率，但是電網(wǎng)中仍然還要輸送無功，存在著線路損失。

另外，還有單片機(jī)結(jié)合其他元件制成的印刷版控制電容器的投切。此類并聯(lián)電容器可以提供超前的無功功率，可就地補(bǔ)償，也可裝設(shè)于降壓變壓器所內(nèi)。

1.2 從電容補(bǔ)償發(fā)展到LC補(bǔ)償。

LC濾波裝置也稱為無源濾波器，是由濾波電容器和電抗器適當(dāng)組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除起到濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。但是，此類濾波裝置也存在損耗大等問題。

例如，濾波裝置利用電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成無功補(bǔ)償?shù)闹黧w設(shè)備。濾波裝置中調(diào)諧電抗器的電感量和品質(zhì)因數(shù)均連續(xù)可調(diào)，取消了串聯(lián)的附加電阻器，上述特點(diǎn)使該濾波裝置具有低損耗和最佳調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)。該濾波裝置的電抗器，是由頂部的短路環(huán)D1、上部線圈L1、下部線圈L2、底座D2支撐及調(diào)整螺母螺桿、絕緣塊等組成。由旋動(dòng)支撐及調(diào)整螺桿上的螺母可使短路環(huán)D1作上下移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)的連續(xù)可調(diào)，連續(xù)調(diào)節(jié)范圍0～13%，可使兩線圈繞組L1、L2之間的距離作上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電感的無級(jí)連續(xù)可調(diào)。

連續(xù)可調(diào)存在范圍限制，有時(shí)候不能隨時(shí)跟蹤負(fù)荷的無功需求變化，也就是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

此后，出現(xiàn)了電抗器或電容器與晶閘管配合使用的無功補(bǔ)償裝置，例如，晶閘管控制電抗器TCR，晶閘管投切電容器TSC，以及二者的混合裝置等。

1.3 有源電力濾波器APF補(bǔ)償

有源電力濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置，能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的抑制和消除紋波噪聲的方法是采用由若干電阻、電感和電容等無源器件構(gòu)成的濾波電路，這被稱為無源濾波方法。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種包含電力電子器件的裝置被應(yīng)用于電力濾波，這種濾波方法被稱為有源電力濾波。有源電力濾波能夠克服傳統(tǒng)無源濾波參數(shù)不準(zhǔn)確、無法適應(yīng)頻率和負(fù)載的變化、易與系統(tǒng)發(fā)生振蕩等缺點(diǎn)。并且，有源電力濾波方法能夠達(dá)到更好的濾波性能。在功率較大的場(chǎng)合，采用有源電力濾波裝置還可以減少占地面積，降低濾波成本。

伴隨著電力電子器件的發(fā)展，換流器由晶閘管發(fā)展到IGBT，控制方法也更加多樣，電力電子器件的控制方法有PWM、SPWM、SVPWM、NLC等，控制芯片集成度也越來越高。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了混合有源電力濾波器，將無源電力濾波器和有源電力濾波器結(jié)合起來使用，不再贅述。

同期還有利用靜止無功補(bǔ)償器SVC、SVG給電力系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償?shù)难b置，其換流器件也是逐漸由晶閘管向IGBT發(fā)展。

采用IGBT作為換流器件的靜止無功發(fā)生器SVG，即靜止同步補(bǔ)償器STATCOM，用于配電網(wǎng)的DSTATCOM，都是目前利用IGBT作為換流器件補(bǔ)償無功的典型裝置。

1.4 綜合的有功無功補(bǔ)償裝置

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，綜合的有功無功補(bǔ)償裝置開始出現(xiàn)，其具有同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)有功和補(bǔ)償無功的功能。

UPQC作為功能強(qiáng)大的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，其串聯(lián)側(cè)具有動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR、動(dòng)態(tài)不間斷電源DUPS功能，并聯(lián)側(cè)具有靜止無功發(fā)生器SVG、有源電力濾波器APF功能。UPQC的串聯(lián)和并聯(lián)單元可獨(dú)立運(yùn)行實(shí)現(xiàn)各自功能，也可聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合功能。

利用新能源發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)，通過電力電子變換器件例如IGBT并網(wǎng)時(shí)，在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，控制新能源實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。

光伏（photovoltaic，PV）并網(wǎng)充電系統(tǒng)的工作原理是將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)變流器逆變成交流電，除了給本地交流負(fù)載正常供電以外，還可以將多余的電力反饋給三相交流電網(wǎng)或直接將產(chǎn)生的電能全部饋入三相交流電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有APF的功能，在并網(wǎng)發(fā)電給負(fù)載供電的同時(shí)，也對(duì)光伏并網(wǎng)供電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，電力電子器件也朝著模塊化發(fā)展，這為大容量大功率的無功補(bǔ)償裝置提供了更加廣闊的發(fā)展空間。

2 結(jié)語

目前，隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，對(duì)于電力系統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)难芯?，除了探索新的電路拓?fù)渫?，?duì)于變流器控制方法的研究、諧波檢測(cè)方法的研究是非常重要的部分，主要研究如何通過諧波檢測(cè)方法和變流器控制方法的配合提高變流器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并且盡可能地降低成本、提高效率，并提高變流器的電磁兼容性能。另外，隨著電力電子技術(shù)、柔性輸配電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，模塊化集成度更高的電力系統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置也在快速地發(fā)展。

[1]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]Hingorani N G. Introducing Custom Power.IEEE Spectrum，1995，32（6）：41-48.