试验系统电网品质提升技术探讨

摘  要：介绍了影响电网品质的主要原因；分析了无功补偿的原理、补偿方式及无功补偿装置的类别；研究了电网谐波的产生原因、危害和谐波抑制措施；提出了SVG能够同时实现无功补偿和谐波抑制的治理方案。

关键词：电网品质；无功补偿；谐波抑制；功率因数    

1 概述

在轨道交通牵引系统试验中，由于感性负载占据了相当大的比重，感性负载不仅消耗有功功率，也吸收大量无功功率，无功功率的出现不但降低了输配电设备效率，而且还增大了网损；由于电力电子器件的非线性特点，牵引电传动系统电源侧的电流不仅含有基波，还包含丰富的谐波；谐波电流不仅会引起电网无功功率增加，降低功率因数，而且在电网中产生谐振引起过电压而损坏电网中的其他用电设备。因此，必须考虑谐波治理和无功功率补偿的问题。

2 无功补偿技术分析

2.1无功补偿的原理

可分为两种机理：一是电流补偿型，通过注入无功电流，使合成补偿电流的幅值减小，使合成电流在垂直于线路电压方向上的电流分量降低；二是电压补偿型，在线路中串联一种无损元件，使该器件上的电压抵消线路电压在垂直于线路电流方向上的无功分量，合成电压的无功分量同样得到有效降低。

2.2无功补偿的方式

可分为高压集中补偿、低压集中补偿和低压就地补偿，最佳补偿容量与其所在电网的网络形式和位置紧密相关。

2.3无功补偿装置的分类及特点

2.3.1机械旋转类

1）同步调相机：增加励磁向电网发出无功功率。过励磁运行，向系统供给感性无功，如同电容器；欠励磁运行，从系统吸收感性无功，如同电感；旋转机械，响应速度慢，不适应高动态无功控制。

2）同步发电机：通过发电机的励磁电流实现无功补偿；端电压幅值变化过于激烈时，造成绕组匝间短路，降低绝缘水平和使用寿命。

3）同步电动机：与同步调相机相似，根据励磁强度不同，工作在感性和容性状态；一次性投资较高，使用和维护复杂。

2.3.2静止类

1）固定电容（FC）：补偿感性无功功率通过并联电容器的投切来实现；合闸涌流大；频繁投切，电容器及接触器容易损坏；补偿精度差，适用于无功比较恒定的工业领域，不适用工业负荷的快速变化。

2）晶闸管投切电容（TSC）：由电容器、双向导通晶闸管和电抗器组成；投入时，发出容性无功功率，断开时，不输出无功功率；对三相不平衡负载进行分相补偿，不产生有害过电压。

3）晶闸管控制电抗器（TCR）：由电抗器、双向导通晶闸管串联组成；实现感性电抗的无极调节；用于FC过补或变压器抽头处于输出电压最高的位置情况。

4）晶闸管投切电抗器（TSR）：与TCR相似；没有触发角的控制，不能连续控制。

5）磁控电抗器（MCR）：将固定电抗器的气隙用较小面积的铁心柱来代替；谐波含量低，可无极调节。

6）静止同步补偿器（STATCOM）：由全控性电力电子器件控制，不仅实现滞后无功电流的控制，还能实现超期无功电流的控制；速度快、调节精度高、输出谐波小，智能控制策略；电压调节、消除谐波、补偿有功无功、改变线路阻抗和相移角。

2.3.3复合类

1）固定电容+晶闸管控制电抗器（FC+TCR）： TCR和FC进行并联；晶闸管承受与相同线路电压；复合补偿系统具有无极可变电容的补偿效果。

2）固定电容+磁控电抗器（FC+MCR）：与FC+TCR复合补偿方式相似；晶闸管承受1%～3%线路电压；可以实现无极调节；与FC+TCR相比，谐波更小；多应用于500kV及以上特高电压系统中。

3）晶闸管控制电抗器+磁控电抗器（TCR+MCR）：反应速度快，灵活性大，输电系统和工业企业应用最为广泛。

3 谐波抑制技术分析

3.1电网谐波的产生

电网中的谐波源分为三类：第一类是具有半导体的负载。第二类是带有电弧的负载。第三类是磁饱和非线性负载。在电力电子器件的大规模应用之后，第一类已成为最重要的谐波源。

由于负载和电网连接在一起，各种非线性负荷在电网电压作用下产生非正弦电流，其中的谐波电流在输配电线路上产生谐波压降，叠加与电网电压，引起波形畸变。

3.2电网谐波的抑制技术分析

1）减少谐波源：通常三相电路中的整流变压器都是Yd或Dy连接的，采用Yd或Dy连接三相整流变压器，该措施可有效的抑制了三次及其整数倍次的谐波电流注入电网。

2）增加整流装置的脉动数：在整流器中存在的脉冲数越多，高次的谐波电流就越容易被消除。

3）阻止电容器放大谐波：并联电容器组是用来补偿无功功率的，但如果系统中存在谐波，电容器组会加强一些参数把谐波放大，如果增加高次谐波功率，在一定程度上会发生谐振。为了能够达到最好的效果，必须考虑无功补偿和谐波抑制相结合。

4）装设滤波器：安装无源AC滤波器，在连接到电网的大容量静态谐波源的存在下，连接无源AC滤波器，使R、L、C电路的串联谐振。装设有源电力变流器；这是一种基于动态无功补偿和谐波抑制的新型电力电子器件，它不仅调节无功功率，而且还具有消除电网谐波，稳定系统电压，抑制电压闪变，平衡三相负载，抑制系统振荡的效果。

5）LC滤波器的设计：LC滤波器是基于LC振荡原理，使谐波不进入电网谐波，提供了一个非常低的阻抗通道。

4 电网无功补偿和谐波抑制措施

根据以上分析，对于10kV三相电源功率因数低、三相负荷严重不平衡，宜采用三角形连接的SVG，如图1所示。补偿点应设定在 10kV三相电源输入端。三角形接法的SVG可以同时补偿无功和负序电流，另外对现场低次谐波电流也有一定的抑制作用。所谓 SVG（Static Var Generator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。从 SVG 工作原理的可以看出， SVG能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。

图1  三角形接法SVG拓扑结构图

5结语

电力电子器件的应用使得各种非线性负荷在电网电压作用下引起电网波形畸变；感性负载不仅消耗有功功率，也吸收大量无功功率，无功功率的出现不但降低了输配电设备效率，增大了网损；SVG技术方案能够同时实现无功补偿和和谐波治理的双重目的。

［参考文献］

［1］包顺先.动态无功补偿技术的应用现状及发展[J].电子技术与软件工程,2017.