無功功率對民用和工業電網的影響和諧波的危害

在民用和工業用電設備中，阻感負載占有很大比例，如：變壓器、異步電動機、日光燈等。阻感負載不僅消耗有功功率，同時也要吸收無功功率才能正常工作。在電力係統中，電力電子裝置（如：晶體管整流器、可控矽調壓器、逆變器等）、變壓器、發電機、電弧爐、日光燈等是主要的諧波源。隨著電力電子裝置的廣泛應用，使得電力電子裝置成為*大的諧波源。諧波源可分為諧波電流源和諧波電壓源。上述各種諧波源為諧波電流源，所產生的諧波電流取決於諧波源本身的特性，基本上與供電網的參數無關。如在工業上被廣泛應用的整流裝置，其直流側為阻感負載，整流裝置產生的諧波電流是由直流電流和半導體開關的切換方式所決定的。幾乎與交流側電壓無關。但是，直流側若為電容濾波的二極管整流電路，其輸出的直流電壓近似恒值，直流電壓經半導體開關的切換加到交流側，這樣生成的諧波為諧波電壓。不管是諧波電流，還是諧波電壓，同樣會給電力係統造成危害，而諧波電流的危害更為嚴重。筆者*近在某玻璃廠調試設備時，對諧波造成的危害深有感觸。由於這家廠使用了大量的電力電子裝置和各種型式的特種變壓器，產生了大量的諧波，使得有關設備頻繁告警、損壞，給企業造成了嚴重的經濟損失。儘管采取了一些濾波措施，效果並不明顯。後經筆者與有關專家研究、分析，采取了較為合理的手段，基本解決了問題。

2無功功率的影響和諧波危害

2.1無功功率的影響

（1）使供電設備容量增大。無功功率的增加，導致電流增大和供電設備的視在功率增大。同時，電力用戶的起動及控製設備、測量儀表的尺寸和規格也要增大。

（2）設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，從而使設備及線路損耗增加。

（3）變壓器及線路壓降增大，使電網電壓劇烈波動。

2.2諧波的危害

（1）諧波使設備產生附加諧波損耗，降低供配電設備及用電設備的效率，大量的諧波電流流過中線時使線路過熱，甚至發生火災。

（2）諧波會影響各種電氣設備的正常工作。諧波引起過電壓、過電流使變壓器嚴重過熱，使電容器、電纜過熱，絕緣老化，壽命縮短。

（3）諧波會引起公用電網局部並聯諧振和串聯諧振，使諧波放大。對這一現象，應特彆關注。

（4）諧波導致繼電保護和自動裝置的誤動作。筆者通過對玻璃廠的所有用電設備檢測證實有大量諧波源存在，產生各次諧波。其中5次、7次諧波尤為突出。同時，由於使用大量阻感負載，使得該廠整個電力係統的功率因數很低，僅0.79左右。為此，企業受到了供電部門的處罰，每月要多支付5萬元的罰金。因此，配置了LC無源濾波補償器，取得了一定的效果，但冇有徹底解決問題。3LC濾波器的優劣為了抑製諧波、提高功率因數，這家玻璃廠添置了補償櫃，全廠供電方式如圖1所示。補償櫃內部聯接方式如圖2所示，圖中C為雙電容並聯使用。實際上，這種LC濾波器是一個二階高通濾波器，具有補償和濾波功能。其原理分析如下，補償器的阻抗為｜ZN｜隨頻率變化的曲線如圖3所示，該曲線在一頻帶內呈現低阻抗，形成對高次諧波的通路，起到了一定的濾波作用，但效果不明顯，有可能會形成諧振。因為，這種濾波器雖然對工頻電源XC》》XL，並不會產生諧振。但對諧波而言，係統感抗大大增加，容抗大為減小，就有可能發生並聯諧振或串聯諧振，使諧波電流（或諧波電壓）放大，產生一係列負麵影響。浙江這家玻璃廠原先采用了上述這種濾波、補償方式，使得係統無法正常工作，故障現象是補償器不能投入，有時投入瞬間即跳閘，有時投入數小時後跳閘，使得補償器長期閒置，不能發揮作用。筆者經現場觀察，發現跳閘是過電壓保護繼電器動作而引起的。經分析得出結論：諧波源產生的諧波引起係統並聯諧振。所以，為了彌補LC濾波器的缺陷，筆者將混合型有源濾波器引入補償係統。

4並聯混合型有源濾波器的實際應用

4.1混合型有源濾波器的係統構成（圖4）圖4為該濾波器的原理圖，由LC濾波器和有源濾波器（虛線框內）組成。有源濾波器的主電路是一個小功率電壓型PWM變流器，功率器件為MOSFET，控製電路由指令電流運算電路和PWM控製部分組成。

4.2工作原理簡介

（1）諧波的檢測一般電網電流的組成可用下式描述IS＝ISPF＋ISQF＋ISH式中：ISPF—瞬時基波有功電流；ISQF—瞬時基波無功電流；ISH—瞬時總諧波電流除ISPF外，ISQF和ISH應設法消除。如能檢測出ISPF和IS，則ISQF和ISH可按式ISQF＋ISH＝IS－ISPF算出。下麵給出檢測算法，按瞬時無功功率理論，IP、IQ和三相電流IA、IB、IC有如下關係：再結合由低通數字濾波得到的IPF、IQF，就可算出三相基波電流IBH＝IB－IBFICH＝IC－ICF

（2）補償原理圖5為混合係統的等效電路圖。將有源濾波器等效成一個理想的受控電壓源UC，諧波源視為一個電流源IL。ZS為電源阻抗，ZF為LC濾波器總阻抗。1）當有源濾波器不接時即K＝0，電源總電流諧波分量為式中，I＆LH為負載諧波電流。假如｜ZS｜≈0或LC濾波器冇有調諧到負載諧波頻率（即｜ZF｜》》｜ZS｜）就達不到濾波要求。假如｜ZF＋ZS｜≈0，將發生並聯諧振。2）當有源濾波器接入後①抑製諧波電流若使受控電壓源控製在U×C＝KISH，這樣，有源濾波器迫使負載中的諧波電流流入LC濾波器，使電源電流中不含諧波。其原理可用如下式子說明。