电力系统中的电力电子技术与无功补偿

、谐波抑制陈芳元1赵方方2汪玉凤（1.辽宁工程技术大学电气工程系，2.电子信息工程系辽宁阜新123000）E-mail:[e-mail]摘要：文章论述了电力电子技术在电力系统中的应用与发展，分析了电力系统中的无功和谐波问题，其中包括无功补偿和谐波抑制的基本原理、无功功率的影响和谐波的危害；以及与电力电子技术结合的无功补偿和谐波抑制的新技术及其发展动向；指出电力电子技术与无功功率补偿、谐波抑制是紧密相联的；并分别概述性地介绍电力电子技术在电力系统的发电、输电及配电各环节的应用情况。最后得出了伴随着电力电子技术的发展可以很好地解决其本身的谐波和无功问题的结论。关键词：电力系统；电力电子技术；无功补偿；谐波抑制；柔性交流输电1、引言电力电子技术(PowerElectronicsTechnology)是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要[10]。电力电子技术是20世纪后新兴的边缘学科。电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。电力电子技术在电力系统中的应用涉及到提高输电能力、改善电能质量、提高电网运行稳定性、可靠性、控制的灵活性及降低损耗等重大问题。但电力电子技术在推动电力系统发展的同时,又成为电力系统中最主要的谐波源,并且电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。它迫使电力电子领域研究人员对谐波问题进行更为有效的研究,以治理谐波污染，维护电力系统的“绿色环境”[11]。2、电力系统中的谐波与无功功率问题2.1谐波和无功功率的产生在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。而相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等电力电子装置，其交流侧的电流也常常滞后于电压,它们不但要消耗大量的无功功率,还要产生大量的谐波电流[3]。在电工理论中,对纯正弦交流电路定义了3种功率:有功功率P、无功功率Q和视在功率S,它们分别是：ϕcosUIP=ϕsinUIQ=UIS=其中，ϕ是电流滞后于电压的相位角。3种功率满足关系:222QPS+=有功功率P表示瞬时电压与瞬时电流乘积即瞬时功率在一个周波内积分的平均值,其物理意义是交流平均功率,视在功率S表示电气设备的最大可利用容量,它是电压电流有效值的乘积,工程上作为电气设备功率设计的极限值,其中额,额定电压由绝缘性能决定,而无功功率表示含储能元件的电路或系统的一种功率互换的幅度,单相电路中的功率互换直接发生在电源与储能设备(电感、电容)之间，三相电路则表现在通过具有储能特性的负载在三相之间来回流动,任一瞬时三相无功之和恒等于零。对于非正弦交流电路来说,电流和电压可进行傅氏分解并表示成级数形式,有功功率和视在功率仍然可表示为:∑∞==122cosnnnnIUPϕ∑∑∞=∞===1212nnnnIUUIS其中，nU、nI分别为基波和各次谐波电压、电流有效值。含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的科学而权威的定义。仿照纯正弦电路，可以定义非正弦电路的无功功率为：22PSQ−=这里，无功功率（Q）只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消耗。在公用电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形畸变则可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况很有实际意义。由此各功率可表示为：11cosϕUIP=11sinϕUIQf=22222222222DQPIUQPIUSfnnf++=++==∑∞=∑∞==2222nnIUD这里将无功功率分解为两项,其中fQ表示基波电流产生的无功功率,D表示谐波电流产生的无功功率。则功率因数可表示为:11111coscoscosϕνϕϕλ====IIUIUISP式中，II1=ν，称为基波因数或波形畸变因数，1cosϕ为基波功率因数或称为位移因数。可见，非正弦电流电路的功率因数不仅取决于基波电流相移，而且与电流波形畸变即谐波大小密切相关，它等于基波位移因数与波形畸变因数之乘积。因此电流畸变或电路中含有谐波时将导致无功功率增大，功率因数降低，从而使设备电气容量的可利用率下降，这对所在配电网络是极不利的。2.2无功功率的影响和谐波的危害[1]：（1）增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发动机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。（2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生了谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热；使电容器、电缆绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。3、谐波抑制和无功功率的补偿为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染和低功率因数问题，基本思路有两条:一是装设补偿装置,以补偿其谐波和无功功率；二是对电力电子装置本身进行改进,使其不产生谐波,且不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行控制[7]。3.1无功功率的补偿在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。电压的控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。控制无功功率的方法很多,包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿器(StaticVarCompensator——SVC)等。其中，SVC是用于无功补偿典型的电力电子装置，它是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分为晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReactor——TCR)和晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchingCapacitor——TSC)以及这两者的混合装置(TCR+TSC)、TCR与固定电容器(FixedCapacitor)配合使用的静止无功补偿装置(FC+TCR)和TCR与机械投切电容器(MechanicallySwitchCapacitor——MSC)配合使用的装置(TCR+MSC)。TCR及TSC的单相原理见图1，2。图1TSC补偿器Fig.1SchematicofTSCcompensator～100%容量变化的无功功率,几乎需要100%容量的电容器和超过100%容量的晶闸管控制电抗器,铜和铁的消耗很大。从技术发展来说,这种类型的静补装置已不能说是先进的。近年来的发展趋势是采用可关断晶闸管(GTO)构成的自换向变流器,通常称为静止无功发生器(StaticVarGenerator——SVG)。它既可提供滞后的无功功率,又可提供超前的无功功率。SVG分为电压型和电流型两种，图3给出了SVG装置电路的基本结构图。简单地说，SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围宽，而且采用多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量，此外SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC所使用的要小，大大缩小了装置的体积和成本。a)采用电压型桥式电路b)采用电流型桥式电路VoltagebridgecircuitCurrentbridgecircuit图3SVG装置的电路基本结构Fig.3MaincircuitstructureofSVG3.2谐波抑制目前，抑制谐波的方法可分为两大类[3]:（1）补偿的方法。采用无源LC滤波器或有源电力滤波器属此类方法。（2）改造谐波源的方法。一是设法提高电力系统中主要的谐波源即整流装置的相数；二是采用高功率因数整流器。目前工程上应用最多的是无源LC滤波器,它结构简单、投资少、可靠性高、运行费用也比较低。滤除谐波的原理实质上是为电路中的谐波提供一条释放路径,即保留基波而使谐波短路,使谐波可通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统,如图4所示。。其基本原理见图5，其原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1。这种变流器被称为单位功率因数变流器(UnityPowerFactorconverter)。使电力电子装置本身不产生谐波和无功是一种积极的节能降耗的措施,能获得巨大的经济效益,因而对单位功率因数变流器的研究近年来已成为电力电子领域的一大热点。图5电力有源滤波器的基本原理Fig.5Principleofactivepowerfilters4、电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台[10]。经过50年的发展历程，它在传统产业设备改造、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最早成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。在电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的[4]。如大型发电机的静止励磁采用晶闸管整流自并励方式、水力、风力发电机的变速恒频励磁技术以及发电厂风机水泵的变频调速技术，运用的都是电力电子技术。，电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，