电网无功功率的影响和谐波危害

在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例，如：变压器、异步电动机、日光灯等。阻感负载不仅消耗有功功率，同时也要吸收无功功率才能正常工作。在电力系统中，电力电子装置（如：晶体管整流器、可控硅调压器、逆变器等）、变压器、发电机、电弧炉、日光灯等是主要的谐波源。随着电力电子装置的广泛应用，使得电力电子装置成为最大的谐波源。谐波源可分为谐波电流源和谐波电压源。上述各种谐波源为谐波电流源，所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。如在工业上被广泛应用的整流装置，其直流侧为阻感负载，整流装置产生的谐波电流是由直流电流和半导体开关的切换方式所决定的。几乎与交流侧电压无关。但是，直流侧若为电容滤波的二极管整流电路，其输出的直流电压近似恒值，直流电压经半导体开关的切换加到交流侧，这样生成的谐波为谐波电压。不管是谐波电流，还是谐波电压，同样会给电力系统造成危害，而谐波电流的危害更为严重。笔者最近在某玻璃厂调试设备时，对谐波造成的危害深有感触。由于这家厂使用了大量的电力电子装置和各种型式的特种变压器，产生了大量的谐波，使得有关设备频繁告警、损坏，给企业造成了严重的经济损失。尽管采取了一些滤波措施，效果并不明显。后经笔者与有关专家研究、分析，采取了较为合理的手段，基本解决了问题。

2无功功率的影响和谐波危害

2.1无功功率的影响

（1）使供电设备容量增大。无功功率的增加，导致电流增大和供电设备的视在功率增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要增大。

（2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及线路损耗增加。

（3）变压器及线路压降增大，使电网电压剧烈波动。

2.2谐波的危害

（1）谐波使设备产生附加谐波损耗，降低供配电设备及用电设备的效率，大量的谐波电流流过中线时使线路过热，甚至发生火灾。

（2）谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波引起过电压、过电流使变压器严重过热，使电容器、电缆过热，绝缘老化，寿命缩短。

（3）谐波会引起公用电网局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大。对这一现象，应特别关注。

（4）谐波导致继电保护和自动装置的误动作。笔者通过对玻璃厂的所有用电设备检测证实有大量谐波源存在，产生各次谐波。其中5次、7次谐波尤为突出。同时，由于使用大量阻感负载，使得该厂整个电力系统的功率因数很低，仅0.79左右。为此，企业受到了供电部门的处罚，每月要多支付5万元的罚金。因此，配置了LC无源滤波补偿器，取得了一定的效果，但没有彻底解决问题。3LC滤波器的优劣为了抑制谐波、提高功率因数，这家玻璃厂添置了补偿柜，全厂供电方式如图1所示。补偿柜内部联接方式如图2所示，图中C为双电容并联使用。实际上，这种LC滤波器是一个二阶高通滤波器，具有补偿和滤波功能。其原理分析如下，补偿器的阻抗为｜ZN｜随频率变化的曲线如图3所示，该曲线在一频带内呈现低阻抗，形成对高次谐波的通路，起到了一定的滤波作用，但效果不明显，有可能会形成谐振。因为，这种滤波器虽然对工频电源XC》》XL，并不会产生谐振。但对谐波而言，系统感抗大大增加，容抗大为减小，就有可能发生并联谐振或串联谐振，使谐波电流（或谐波电压）放大，产生一系列负面影响。浙江这家玻璃厂原先采用了上述这种滤波、补偿方式，使得系统无法正常工作，故障现象是补偿器不能投入，有时投入瞬间即跳闸，有时投入数小时后跳闸，使得补偿器长期闲置，不能发挥作用。笔者经现场观察，发现跳闸是过电压保护继电器动作而引起的。经分析得出结论：谐波源产生的谐波引起系统并联谐振。所以，为了弥补LC滤波器的缺陷，笔者将混合型有源滤波器引入补偿系统。

4并联混合型有源滤波器的实际应用

4.1混合型有源滤波器的系统构成（图4）图4为该滤波器的原理图，由LC滤波器和有源滤波器（虚线框内）组成。有源滤波器的主电路是一个小功率电压型PWM变流器，功率器件为MOSFET，控制电路由指令电流运算电路和PWM控制部分组成。

4.2工作原理简介

（1）谐波的检测一般电网电流的组成可用下式描述IS＝ISPF＋ISQF＋ISH式中：ISPF—瞬时基波有功电流；ISQF—瞬时基波无功电流；ISH—瞬时总谐波电流除ISPF外，ISQF和ISH应设法消除。如能检测出ISPF和IS，则ISQF和ISH可按式ISQF＋ISH＝IS－ISPF算出。下面给出检测算法，按瞬时无功功率理论，IP、IQ和三相电流IA、IB、IC有如下关系：再结合由低通数字滤波得到的IPF、IQF，就可算出三相基波电流IBH＝IB－IBFICH＝IC－ICF

（2）补偿原理图5为混合系统的等效电路图。将有源滤波器等效成一个理想的受控电压源UC，谐波源视为一个电流源IL。ZS为电源阻抗，ZF为LC滤波器总阻抗。1）当有源滤波器不接时即K＝0，电源总电流谐波分量为式中，I＆LH为负载谐波电流。假如｜ZS｜≈0或LC滤波器没有调谐到负载谐波频率（即｜ZF｜》》｜ZS｜）就达不到滤波要求。假如｜ZF＋ZS｜≈0，将发生并联谐振。2）当有源滤波器接入后①抑制谐波电流若使受控电压源控制在U×C＝KISH，这样，有源滤波器迫使负载中的谐波电流流入LC滤波器，使电源电流中不含谐波。其原理可用如下式子说明。