浅谈电力电子技术与无功补偿、谐波抑制的关系

浅谈电力电子技术与无功补偿、谐波抑制的关系

闰俊玲

(包头供电局，内蒙古包头01400⑴

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，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，*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；电子技术；无功补偿；谐波抑制；柔性交流输电

中图分类号：TM714.

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*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。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*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’。

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。

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：

其中，是电流滞后于电压的相位角。3种功率

满足关系：

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*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，其中额定电流由导线截面积和铜耗决定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：

其中，Un、In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：

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：

这里将无功功率分解为两项，其中Qf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：

式中，v=I1/I称为基波因数或波形畸变因

数，cosP1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。

22无功功率对公用电网的影响

22.1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。

22.2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。

22.3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。

23谐波对公用电网和其他系统的危害

23.1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。

23.2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。

23.3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

23.4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。

23.5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。

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*基本、*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

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（ThyrisLorControlledReacLor――TCR)和晶闸管投切电容器

者的混合装置（TCR+TSC)TCR与固定电容器

(FixedCapaciLor)配合使用的静止无功补偿装置

MSC)配合使用的装置

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

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

图3SVG装置的电路基本结构

3.2谐波抑制

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。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*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

图4滤波器原理示意图

电力有源滤波器是谐波抑制的一个重要趋势。

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。

图5电力有源滤波器的基本原理

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执占

4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。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。*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。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米

在输电环节，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**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。

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

的输电技术可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。20世纪90

年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电

可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求还要抑制各种

瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（CustomPower)

技术或称DFACTS技术是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以

将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版其

原理、结构均相同，功能也相彳似随着电力电子器件

价格不断降低，DFACTS设备产品将进入快速发展期。

5结束语

电力电子技术飞速发展，新材料、新结构器件的

陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持。有人预言，电力电子连

同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪*重要的两大技术。电力电子技术在电力系统中的应用

研究日益广泛和深人然而，电力电子装置的谐波和无功问题是阻碍电力电子技术发展的重大障碍

无法回避。幸运的是，采用电力电子技术本身可以使这一问题得到很好的解决。电力电子技术将在提

高电力系统的可靠性和稳定性方面发挥越来越重要的作用。

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3结果与讨论

刺槐豆胶的添加量在0.

4%~0.8%时对冰淇淋的浆料黏度作用较好，冰淇淋的膨胀率较大；特别

当用量为0.6%时，抗融性*好，也就是冰淇淋的保

形型比较好，冰淇淋的微观结构较好，气泡数量较多，大小差别接近且有少量中等大小气泡气泡分布

「参考文南大

黄来发，洪文生，黄恺等.食品增稠剂.

SB/T10012―92冰淇淋膨胀率的测定「S1.

刘梅森，盛明珠，何唯平.复配乳化剂对冰淇淋蛋糕品质的影响[J1.冷饮与速冻食品工业,