电力系统静止无功补偿技术与发展趋势
电力系统静止无功补偿技术与发展趋势（转载）(2008-07-01 17:45:06)
标签：杂谈
1 引言
电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备；如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。
传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO
等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10μs），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor Co ntrolReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVar Compensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置——高级静止无功发生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。
以下对此三类静止无功补偿技术逐一介绍，主要对SVC和ASVG这两类补偿技术作详细介绍，并指出今后静止无功补偿技术的发展趋势。
2 具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR）
饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1967年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司（GE）也制成了这样的静止无功补偿装置［1］，但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2～3倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时
间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。
3 晶闸管控制电抗器（TCR）
两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°～180°。当触发角α＝90°时，晶闸管全导通，导通角δ＝180°，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：
BL＝BLmax（δ－sinδ）／π和BLmax＝1／XL可知。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。
在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃郎2鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿［2］。
由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR＋FC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR＋MSC）。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士BBC公司生产的TCR＋FC＋MSC型的SVC，其控制范围为±120Mvar［3］。由于固定电容器的TCR＋FC 型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC＋MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况。
4 晶闸管投切电容器（TSC）
为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图2所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器
投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K－1个电容值为C的电容和电容值为C／2的电容组成
2K级的电容组数。
TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。
TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。瑞典某钢厂两台100t电弧炉，装有60Mvar的TSC后，有效的使130kV电网的电压保持在1．5％的波动范围。运行实践证明此装置具有较快的反映速度（约为5～10m s），体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC＋TCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。我国平顶山至武汉凤凰山500kV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC＋TCR型。
5 新型静止无功发生器（ASVG）
随着电力电子技术的进一步发展，特别是L．Gyugyi提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上。ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种，如图3所示。图3所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的ASVG。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的ASVG其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角δ，就可以调节无功功率及
逆变器直流侧电容电压UC，同时调节夹角δ和逆变器脉宽，既可以保持UC恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。
根据这一原理从1980年日本研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG之后，经过10多年的发展，ASVG的容量不断增大，1991年和1994年日本和美国又相继研制出80Mv ar和100Mvar的ASVG，在1995年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台ASVG，其容量为300kvar，开辟了我国研制ASVG补偿设备的先河。
ASVG通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术或PWM技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内；由于ASVG不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，和SVC使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低；另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而SVC补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。正是由于这些优点，ASVG在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有SVC无法比拟的优点，这也显示出ASVG是今后静止无功补偿技术发展的方向。另外随着电力电子技术的发展，电子有源滤波器也日益得到完善，由于电力有源滤波器在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐振，因此目前不少电力系统工作者致力于将电力有源滤波与ASVG相结合的研究，以消除传统的ASVG设备中并联无源滤波器的所产生的谐振问题
供电系统无功补偿节能技术的新发展(2008-07-01 17:49:57)
标签：文化
随着我国经济发展和人民生活水平的提高，各产业和民用用电量大幅度增加，新增用电负荷中，整流和变频设备所占的比例增加，无功负荷电流和谐波电流增大供电系统损耗，谐波电流还可能引起通讯系统和计算机系统故障。在供电系统中，装设动态无功补偿和适当的滤波装置，是减少系统损耗，提高电能质量的有效措施。
传统的低压动态无功补偿装置(又称功率因数自动补偿装置)是采用模拟量或微电脑功率因数检测，通过中间继电器(或固态继电器)接通接触器、控制补偿电容器投入或切除。存在的主要问题：
(1)合闸涌流大，可达到100In(In为补偿电容器额定电流)；
(2)断开弧光大；
(3)补偿电容器及接触器易损坏；
(4)对供电系统及周围电气设备干扰大。
因此，传统的低压无功动态补偿装置，只适用于无功负荷较稳定的变电所使用。经实际调查，无功负荷经常变化的各个产业及民用变电所，使用的传统的低压动态无功补偿装置，一年后90％以上不好用，改为手动控制接触器固定补偿。使供电系统损耗增加。另外，传统的低压动态无功补偿装置，不能滤波，也不能分相补偿，不能适应多种用电负荷对无功补偿的要求。新型低压无功动态补偿装置，采用微电脑全数字控制，通过交流无触点电子开关投切补偿电容器，全部无触点化。无合闸涌流、无断电弧光。可实现低压滤波和分相补偿。电压、电流、功率因数数字显示，代替传统指针式仪表。有通讯接口，与智能化低压电器设备配套，可实现远程监控或遥控。有保护和报警功能，调试、维护方便。
新型的与传统的低压无功动态补偿装置性能与价格比较。
从以上比较表可知，新型低压无功动态补偿装置的各项技术性能，都优于传统的补偿装置。相同的功能价格只差20％。但使用寿命长、维护工作量小、长期节能效果好。因此，新型补偿装置是传统低压无功动态补偿装置的更新换代产品。而且技术上已经成熟，有5
年以上的实际运行经验。
在高压(10KV、6KV)无功补偿方面，我国目前普遍采用高压电容器固定补偿。很多变电所，为了解决无功负荷变化时，补偿容量也能变化的问题，将高压补偿电容器分为2－3组，用真空断路器人工控制。原来设想：重负荷时，补偿电容器全部投入；轻负荷时，切除1－2组补偿电容器。实际使用证明，用人工控制真空断路器，投切高压补偿电容器，会产生很大的合闸涌流和电压闪变，甚至引起系统振荡。不敢经常操作。实际还是固定补偿，常出现重负荷时欠补偿，轻负荷时过补偿，增加了供电系统损耗，增大了电压波动范围。
新型高压无功动态补偿装置，采用微电脑全数字控制，全部无接点化，不产生谐波，无合闸涌流，可有效减小电压闪变和防止系统振荡，并可实现分相补偿。可与高压滤波装置组
成滤波和动态补偿成套装置。有通讯接口，便于实现远程监控或遥控。可靠性高、维护工作量小，适合中、小型变电所使用(补偿容量数百至数万KVAR)。能减少电网电能损耗，提高供电质量
配电线路无功补偿装置的分类及选型－转载(2008-07-02 10:16:22)
标签：文化
随着科学技术的发展，线路无功自动补偿设备近年来逐渐开始应用。由于国家没有专业标准，因此，市场上该类产品在技术性能、功能特点、安全可靠等方面存在很大差异。
我们在对该类产品的调研和应用实践中，对产品的分类、选型方面有了一些认识和体会，归纳整理出来，供大家参考。
我们将控制开关“分闸、合闸”称作“投、切”。
1 分体式简易型无功自动补偿装置
较早的线路无功自动补偿主要采用时间电压控制模式，根据用电峰谷值时间段，结合电压值作为判据来自动投切补偿装置。装置由电容器、控制开关、电压互感器及控制器组成，其中控制器主要是定时器和电压比较器；结构形式是分体裸露安装在杆上，补偿容量可取线路无功缺额的40～50。
由于用电的峰谷有很大的变化，而线路电压高低只能间接反映无功缺额，并不一定代表是否缺少无功。因此，补偿准确性较差，效果并不理想。
另外，分体裸露式安全性差，高低温、雷雨、霜雪、冰雹，以及烟尘污染等等，都会影响设备的正常工作。这种简易的自动补偿在一些地方有过应用，但没有推广开来。
2 集中箱体式10kV线路无功自动补偿装置
随着功能的完善和技术的成熟，出现了整体箱式无功自动补偿装置。它采用双杆架设，通过多种传感器采集线路信息，经过处理加以利用。这是本文讨论的重点。
2.1单投单切无功自动补偿装置
单投单切，指一台开关，接一组补偿电容器，也称为单组动态补偿。比较适合线路无功量相对稳定的单级阶梯式变化情况，补偿容量不宜过大，一般适用于线路无功缺额在500kv ar以下，电容器配置在60~70，即350kvar以下。
2.1.1电压控制模式单投单切无功自动补偿装置
由电容器、电压互感器(或电源变压器)、投切开关(通常是真空开关)和控制器等组成。电压互感器获取线路的电压值，与控制器里设定的电压值进行比较而做出投切指令。这类控制器市场上有产品俗简称为“控制头”。
由于线路长度与负荷性质不同的影响，往往电压低并不一定缺无功，电压高也可能仍需补无功。因此，当有条件证明线路电压起伏和无功变化存在确切的因果关系且变化较平稳时，可以选择这种装置。
这种设备属于箱式一体化自动补偿的普通型产品。
2.1.2无功控制模式单投单切无功自动补偿装置
这是根据线路无功缺额判定并控制补偿电容器投切的产品。
在设备的组成上需要增加电流互感器，以采集线路的电流信号。电压互感器采集的电压信号，既作为电压控制模式的参考数据，同时，又与电流信号一起参与运算，得出无功缺额量。
控制器功能增强了，采集电压、电流信号，进行数字处理、运算和存储，具有了微型计算机的功能，能够实现“无功电压”的组合控制方式。它适用的线路更多，判定投切更准确。
这种产品属于箱式一体化自动补偿的中低端的级别。
2.1.3单投单切自动固定补偿
当电容器退出运行时，补偿容量为零，而此时线路上往往还存在一定的无功缺额。因此，出现了增加一组电容器长期接于线路上，即固定补偿，在此基础上再叠加一组动态补偿。对此，称为固补加动补。无论是电压控制模式，还是无功控制模式，都能够实现这样的组合。
这种方式在技术上没有提升，适合线路长期存在着一稳定的无功负荷、又有一定的无功量叠加起伏的情况。由于线路情况的复杂性，其电容量的准确选定并不容易，尤其是固补部分，往往要留有充分的余量以免过补。
它在形式上做到了两级补偿，但仍然是单级动态补偿。它与后面介绍的双投双切方式有本质的不同，在选用时往往容易混淆。
2.2双投双切无功自动补偿装置
双投双切，指2台开关，各接一组补偿电容器，共2组电容器，根据需要和指令分别动作，也称为两组动态补偿，或循环动态补偿。
这种补偿装置是为了适应线路无功缺额较大、无功起伏变化多阶梯的情况，在技术上又提升了一个档次。由两组电容器、两组开关、电压互感器，电流互感器及控制器等组成，其补偿量可达线路无功缺额的80以上。控制器功能更强，对数据运算和判定执行能力要求更高。
由于实行分组跟踪多阶梯补偿，补偿时间长，补偿效果相对好的多。以补偿容量500kv ar为例，如果分为200kvar和300kvar两组，上述2.1.3“固补动补”方式的配置为“200 kvar固补300kvar动补”，实现200kvar和500kvar两级补偿；而200kvar固补易造成过补，也缺少了300kvar一级补偿；循环投切方式，控制两台开关，分别实现0、200kvar、3 00kvar、500kvar四种交替补偿状态，避免了过补，多了一级300kvar补偿，补偿时间、补偿准确性、安全性都好得多。
双投双切方式以无功缺额作为判定依据，即跟踪无功量实时投切，无功缺额到哪一级就补相应的无功量。它不适合单一电压控制模式。
双投双切这种产品应属于箱式一体化自动补偿的中端的级别。
2.3多功能、智能化无功自动补偿装置
分析总结早期应用产品出现的问题和经验，提出了智能化、多功能、安全性等新的要求最终形成了在双投双切方式基础上，实现人机对话、数据分析计算、自动控制、数据存储与处理、安全保护等多重功能，我们认为，应该属于线路无功自动补偿的高端产品。技术主要有以下要求：
2.3.1应具备多种控制模式
控制主模式为“无功电压”的复合控制模式，同时还具有电压、电流、功率因数、时间、季节等多种控制模式，可根据不同需要设置控制模式。
2.3.2无线人机对话操作
无论是状态检查、修改控制模式、参数调整、读取数据，全部通过笔记本电脑或手持式抄表器，Window平台，无线方式，无须爬杆，人机对话操作。
2.3.3采用无损非接入电流互感器
传统的穿芯式电流互感器，需要剪线安装，增加了故障率和线电阻。而无损非接入电流互感器无需截断电线，安装简单、无损耗；国内相关技术和产品已达到要求。
2.3.4硬件配置上应具备较为完善的保护措施
为保证电容器安全运行，应外接过流快速熔断保护器，最好电容器内部具备内放电电阻和内熔丝保护；为避免停电后再送电时电容器直接挂网，要求投切开关为电保持式，即具备停电自动分闸功能；为防止谐波涌流的影响，应配置电抗器和吸涌器等器件，吸收和削弱线路上涌流和多次谐波。
除高压端要装有避雷器，补偿箱内应安装雷击浪涌吸涌器等防雷设施。
为防电磁干扰造成误动作，控制器应采用屏蔽设计，并增加滤波装置。
可考虑安装温度传感器，箱内温度较高时自动起动风扇散热。
2.3.5控制器计算机软件实现多重监控功能
设备所配置的多种传感器配合计算机软件共同来实现如下安全保护措施：
控制器应该采集线路数据，并判断识别过电压、过电流、断电、低电压、三相不平衡电流、电压互感器断线等多种状况，并指令安全投切；
控制器应该实时监测各次谐波，总谐波占载比的总百分比率，以控制谐波超标保护；
为避免电容器组的投切振荡，控制器应能够判别并闭锁控制输出。
2.3.6应具备完善的数据处理功能
要求控制器能储存线路各电参量和工作状态，如：电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波百分比、2组开关投切状态(合/分)等；每日的最大/最小电压、电流、无功、有功值以及发生的时间，每日开关投切的次数等。
每组数据记录时间间隔可自由设定，记录时间应至少大于30天；数据可上传至计算机加以管理，随时查看打印。
2.3.7应具有无线网通讯接口
考虑到批量应用后的集中监控，要求设备具备无线网通讯接口，便于今后中心控制室计算机实时监控各线路各设备的电参量，以及无功和功率因数的实时变化曲线，可及时了解1 0kV电网运行状态。
3 线路无功自动补偿设备的选型建议
3.1补偿方式
补偿容量在300kvar以下，选择单投单切或双投双切的补偿方式都可以考虑。如果平均无功量比较平稳，比如在300kvar附近平稳变化，可采用300kvar单投单切方式(建议不超过350kvar)；如果无功量有较大幅度变化，可选择100kvar200kvar的双投双切方式，可分别实现100kvar、200kvar、300kvar多阶梯补偿。
补偿容量超过300kvar后，单级补偿值较大，大范围起伏变化的可能性也大，建议选择双投双切的补偿方式，分多级实时补偿。由于杆上设备有重量限制要求，以及控制技术等问题，我们选用的双投双切补偿容量不超过500kvar，据悉，也有厂家最大做到800kvar。
关于“固补动补”方式，首先要分析线路是否存在较为稳定的无功基荷。根据我们的应用情况，几乎没有哪一条线路在一天、或一个月、或一年能有一个相对稳定的无功缺额量。选小了，补偿不够，选大一些，又会造成过补。
3.2控制模式
建议选择以“无功电压”作为为主控制模式，它既实时跟踪无功变化进行补偿，又利用电压高低作为保护门限的根据。在考察产品时，设备组成中是否采用电压互感器，是判别产品是否采用“无功电压”为主控模式的标志。
如果要选用单独电压控制模式，建议首先要确定线路电压的升降起伏的确是因为无功变化造成的，明确无功量的大小与电压升降的关系，选配补偿容量。
3.3智能化程度
完成自动投切是控制器的最基本的功能，但如果希望掌控设备和线路的运行状况，需要随负荷变化经常调整控制参数，建议选用智能化程度较高的产品。
3.4安全保护措施
如果线路上的情况比较复杂，比如有轧钢厂、大型采石场等，建议多方位考虑安全保护措施（参见2.3.3和2.3.4）。
供电系统的无功补偿和谐波治理
大城
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１引言
在供电系统中，为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平，经常采用各种无功补偿装置。近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、各种电力电子设备以及电气化铁路大量应用。这些负荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点，在运行中会产生大量谐波。这些谐波对无功补偿装置造成了严重影响。在供电系统中，对于某次谐波，作为无功补偿用的并联电容器若与呈感性的系统电抗发生谐振，则会出现过电压而造成危害。当无功补偿装置运行地点的谐波比较严重时，电压、电流波形会有很大畸变，电容器投切控制信号的传输就会受到影响，从而有可能引起装置的误动或拒动。另一方面，并联电容器对电网谐波的影响也很大。若电容器容抗和系统感抗配合不恰当?熏将会造成电网谐波电压和电流的严重放大?熏给电容器本身带来极大损伤。可见，无功补偿与谐波治理两者关系密切。产生谐波的装置大都是消耗基波无功功率的装置；治理谐波的装置通常也是补偿无功的装置。因此，为了寻求能同时实现无功补偿和谐波治理的装置，就必须将二者结合起来进行研究。２电容器无功补偿装置中的谐波问题
谐波源有两种一种是谐波电流源，这些用电设备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况。基本上与供电系统参数无关。另外一种是谐波电压源。发电机在发出基波电势的同时，也会有谐波电势产生，其谐波电势大小主要取决于发电机本身的结构和工作状况。实际上，在电网中运行的发电机和变压器等电力设备输出的谐波电势分量很小，几乎可以忽略。因此，在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源主要是谐波电流源。
在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大得多可发出无功功率，对电网进行无功补偿。但在有谐波背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增加而补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的１．３倍，电容器将会因过流而产生故障。另外，针对无功补偿系统的调谐频率，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。
２．１谐波与并联谐振
当电网中的谐波主要由非线性用电负荷产生时，此时的谐波源可看作一个很大的电流源，其产生的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形成并联回路（如图１所示）。
由图可见，流入电容器支路的ｎ次谐波电流为：
由式（１）可看出：当电网阻抗和电容器阻抗相等时，即：时，将形成并联谐振。此时，即使系统中的ｎ次谐波电流不大，流入电容器的ｎ次谐波电流也将会很大（理论上为无穷大，实际上由于存在电阻谐波电流为一很大的有限值），被放大的谐波电流流经电容器时可导致其内部组件过热而出现故障。
２．２谐波与串联谐振
当上一级电网系统电压波形严重畸变时此时的谐波源相当于一个很大的电压源。谐波电压将在变压器的感抗和电容器的容抗间形成串联回路（如图２所示）。当感抗和容抗相等时?熏将形成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形成强大的电流直接流经补偿电容器使电容器因过流而迅速故障。
由以上分析可见在有谐波背景的供电系统中单独使用电容器进行无功补偿时若发生并联
谐振或串联谐振大部分谐波电流将流入电容器组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况的发生就必须寻求新的能同时实现无功补偿和谐波治理的装置。
３能同时实现无功补偿与谐波治理的装置
３．１无源滤波器
在有谐波背景的电网中，为了滤除谐波，就要为谐波提供一条释放路径即保留基波而使谐波短路也就是使谐波通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。为此，可采用一种ＬＣ无源滤波器，常用的是单调谐滤波器，它由适当数值的电容、电感和电阻组合而成（如图３ａ所示）。通过设置参数，使得在需要滤除的谐波频率上装置的感抗和容抗相等而抵消?熏即在调谐频率上滤波器呈现低阻抗，这样该频次谐波就可顺利通过滤波器并返回谐波源，从而达到滤除谐波的目的。而对于非调谐的基波和其它次谐波滤波器则呈现高阻抗，带来的影响很小。除了上述针对某次谐波频率而设置的滤波器外常用的还有一种高通滤波器如图３ｂ所示，它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻抗，可滤除多种高次谐波。在实际工程应用中，根据供电系统中谐波的组成成份往往设置两组ＬＣ滤波器，一组为单调谐滤波器用来滤除含量较大的某次谐波；另一组为高通滤波器可对高次谐波实现减幅。
上述调谐滤波器实现起来非常简单，就是在原来并联电容器的支路上串接一个适当大小的电抗器。此时，整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈容性保持其无功补偿作用不变。而对高次谐波补偿支路则呈感性避免了与系统形成电流谐振消除或减小了由于补偿电容所引起的谐波电流放大现象。如何选择电抗器的大小呢？目前我国并联电容器配置电抗器的电抗率Ｋ（Ｋ＝ＸＫ／ＸＣ，ＸＫ为电抗器的基波感抗ＸＣ为电容器的基波容抗）主要有４种：＜０．５％，４．５％，６％１２％。配置Ｋ＜０．５％电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流；当采用电抗率为４．５％或６％的串联电抗器时，可抑制５次以上的谐波电流；当采用电抗率为１２％的串联电抗器时，可抑制３次以上的谐波电流。
另外需注意，上述装置对谐振频率要求非常严格。若谐振点漂移，将有可能放大谐波电流，因此必须保证电抗器和电容器的数值不能因温度、环境等因素而发生变化。为满足此要求，滤波电抗器应采用电抗值可调的空芯或铁芯电抗器制造精度要求为正误差。对于电容器，最好选用制造精度为正误差具有防爆、损耗低、放电特性好等特点的谐波滤波电容器。在确定其额定电压等级时，需考虑串联电抗器产生的电压降及谐波电压的影响，一般应选择高于系统电压。另外，在系统运行中，电容器组经常需要分组投切，此时就要根据补偿容量和谐波要求来解决各组间的配合问题。
随着电力电子技术的发展，用晶闸管实现的静止无功补偿装置因其优良的性能而被广泛应用。例如，有一种兼有谐波治理功能的动态无功功率补偿装置叫做晶闸管投切电容器ＴＳＣ（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ）这种装置性能良好，被很多场合采用，但线路组成比较复杂，故障点多，维护量相对较大。另外还有一种典型的动态无功补偿及谐波滤波装置为固定电容器＋晶闸管相控电抗器ＦＣ＋ＴＣＲＦｉｘｅｄＣａｐａｃｉｔ＋ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅａｃｔｏｒ。该装置根据局部电网最低功率因数设置固定电容器根据谐波的阶次，由电抗器串联固定电容器组成ＬＣ谐波吸收回路，根据电网功率因数变化量来调节相控电抗器的大小实现局部电网无功补偿和谐波治理。相对ＴＳＣ来说，该装置线路简单故障率低运行也较稳定，值得推广。
近来又开发出一种新型无功补偿兼谐波治理装置——晶闸管投切滤波器ＴＳＦＴｈｙｒ
ｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＦｉｌｔｅｒｓ。它兼有传统ＴＳＣ和电力滤波器的优点，并且可抑制因负载变动而引起的电网电压波动。在基波频率下，ＴＳＦ的基波阻抗呈容性，可向系统输出无功功率，并且其大小可通过晶闸管进行调节。对于系统中常见的主要的谐波，可接近谐振并呈现很低的阻抗，使谐波电流流入滤波器，从而可同时达到无功补偿和滤除谐波的目的。由于系统中存在的谐波电流通常有多个频率，若采用单调谐滤波器来滤除谐波，则需安装多个滤波器。此时需注意，在投切滤波器时，必须从低次向高次逐次投入，而在切除时则必须从高次向低次依次切除。否则，不仅不能达到抑制谐波电流的作用，反而会将其放大。研究表明，该装置结构简单，易于实现，有实际应用和推广价值。
无源滤波器是传统的进行无功补偿和谐波治理的方法?熏具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此被广泛采用。但是无源滤波器的滤波性能受系统和负载参数的影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消除特定次的谐波，动态性能相对较差，无功补偿效果也不是很理想。为此，急需开发出新的装置来弥补上述缺陷。
３．２有源滤波器
目前在无功补偿装置中进行谐波治理的一个重要趋势是采用有源滤波器ＡＰＦＡｃｔｉ
ｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ。它通过实时检测电网的电压电流经运算处理后得到补偿控制指令控制主电路产生谐波补偿电流，此电流与所要滤除谐波电流的幅值大小相等相位相差１８０°从而可以相互抵消使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，滤波特性不受系统阻抗的影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险。另外，此装置不仅能补偿无功和各次谐波还可抑制闪变，具有高度可控性和快速响应性。它是当前无功补偿和谐波治理领域重要的研究发展方向。
这里介绍一种采用有源滤波器进行无功补偿和谐波治理的方案，适合在谐波严重的工况下使用。此方案其实就是在原来ＦＣ＋ＴＣＲ的基础上，增加一有源滤波器。具体实现方法为，将一变压器的原边串联接在电力系统和谐波源之间，副边接有源滤波器的输出部分。设计的初衷是，希望基波电流可以从变压器的原边流过，而谐波电流被隔离，无功补偿装置中的电容器和电抗器串联的支路为被隔离起来的谐波提供通路，从而达到滤除谐波的目的。根据变压器的工作原理，要满足上述要求，就需要检测变压器原边电流中的基波分量，然后采用有源逆变的方法跟踪此基波分量，并将此基波分量注入变压器的副边，从而补偿变压器原边基波电流所产生的基波磁通，使得变压器对原边基波电流呈现低阻抗，而对于原边谐波电流呈现高阻抗。可见，为了在变压器的副边产生一个与原边基波电流大小成比例、方向相反的电流，就必须准确地从电网电流中检测出基波电流，即需要有基波电流检测部分，这也是此有源滤波器的关键部分。另外此装置还要有功率放大部分，它由滞环控制、ＰＷＭ驱动和逆变器组成，将检测到的原边基波电流经转换作为给定信号采用滞环电流控制使其能够跟踪原边基波电流。从以上分析可见，该方案只需检测、跟踪基波电流，补偿基波磁通，性能比较稳
定，电路结构也较简单，易于在工程中实现。
从本质上讲，ＡＰＦ可看作一个大容量的谐波电流发生装置。通过对电网中的畸变波形实时跟踪补偿，可使任意频率、任意幅值和相位的谐波都能被滤除，并使无功功率得到完全补偿。其中，如何实时准确地检测无功电流和谐波电流，并将此信号作为有源滤波的控制信号，是同时实现无功补偿和谐波治理的关键问题。为了使滤波器有较好的信号跟踪效果，有人提出运用自适应预测原理，实验证明，该方法效果显著，可达到预期目的。
有源滤波器在我国已开始挂网运行但还需要解决一些问题。比如：在大容量应用中有源滤波器逆变器的容量如何最小化；有源滤波器在负载动态过程条件下如何实现自适应调节；在严重畸变的不对称电网及负载下如何提高适应性等。现阶段有源滤波器研究和应用的一个显著特征是混合型有源滤波器，即将有源滤波器和无源滤波器相结合。有源部分相当于一个谐波隔离器?熏既能阻止负载的谐波电流进入电网?熏又能防止电网的谐波电压影响负载，而电网公共连接点上其它负荷的谐波电流则流入无源滤波器。这样可以同时发挥两者的优点，达到良好的补偿目的。混合型有源滤波器最大的好处是，逆变器只需承担谐波电流和谐波电压，从而极大地降低了有源部分的容量，非常适合于大功率谐波负载的补偿。
４结束语
无功补偿对改善电能质量电压起着重要作用。随着电网中非线性负荷的不断增加，其产生的谐波也急需治理。在谐波严重的地方，若仍使用传统的并联电容器补偿装置则有可能对谐波起放大作用?熏甚至产生谐振，从而给系统和补偿装置带来危害。低成本的无源滤波器是目前普遍采用的无功补偿和谐波治理装置。此装置使用简单，但存在一定缺陷。有源滤波器可以对幅度和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，但也存在初期投资大、运行效率
低的缺点。为此，可将有源滤波器和无源滤波器结合起来使用，既可以使有源滤波器容量降低，又可弥补无源滤波器的缺陷，是一个很好的发展方向。