论文部分内容阅读
摘要：对配电网进行合理的无功补偿，能够有效地维持电压水平，对电网的安全、经济运行有着极为重要的作用。根据配电网规模巨大、负荷密集分布、日负荷变化大等特点，比较了配电网的几种无功补偿方案。由于在配电网进行无功补偿过程中使用的非线性元件会产生谐波，严重影响电力系统的稳定运行，而谐波的放大又会导致系统的干扰更加严重，为此对在配电网的无功补偿中产生的谐波提出了相应的解决方案。
关键词：配电网；无功补偿；谐波；滤波器；电压
随着近些年来国民经济的高速发展以及用电高峰的飞速增长，人们对供电的可靠性和质量提出了更高更严的要求。由于夏季负荷的不断增加，电力系统的网络结构和电源分布持续地发生着改变，可能造成无功不足、降低电压水平，直接影响到电力系统向电力用户提供的电能质量，这在与用户直接相关的配电网中显得十分重要。[1-3]因此，对配电网进行无功补偿，在降低电网的损耗、改善用户的电能质量等方面具有重要意义。然而，在对配电网进行无功补偿的同时，使用的非线性补偿设备会产生谐波问题。谐波会直接影响变压器、通信设备、继电保护装置等设备的正常运行，严重时甚至会影响到电力系统的稳定运行。
本文针对配电网无功补偿的问题，在对常见的配电网的无功补偿方案进行分析、对比的基础上，针对补偿过程中产生的谐波危害提出了相应的解决方案。
一、无功补偿方案设计
1.常用无功补偿方案的比较
在理论上来讲，配网中无功补偿的最佳方案就是哪里产生的无功就在哪里补偿，这样一来，整个系统将不存在无功电流的流动。实际上，这是一种理想化的状态，现实中这种所谓的最佳方案不可能实施，这是因为，诸如变压器、输电线路以及各种负载均会产生无功。在实际电网的应用中，就配网无功补偿装置的安装位置而言，常见的补偿方式有以下几种：针对公共低压配电网采取低压母线集中补偿的方式；针对负荷较重的线路采取低压配电线路分散补偿的方式；难以实现分散补偿时，可采取在负荷侧进行集中补偿及在负荷就地补偿的方式。三种补偿方式效果比较如表1所示。
2.补偿容量计算
现以10kV线路补偿为例来计算无功补偿容量，一般而言，安装在10kV线路上的无功补偿设备主要是补偿线路上的感抗和配变上的励磁所消耗的无功功率。10kV供电网系统如图1所示，在配网变压器的二次侧进行无功补偿。
因此，补偿设备容量Qc为：
其中，k为补偿系数（0.95～0.98）；i为线路段号；D为补偿点位置；IDi为第i台变压器的励磁电流；为系统电压；Ifi为第i段线路的负荷电流，XLi为线路的感抗。
变电所配出的各条线路，经补偿后所剩下的面积（由电源提供的无功功率）统一由安装在变电所10kV母线上的电容器组进行补偿。
二、配电网无功补偿后的滤波器设计
在对配电网进行无功补偿的过程中会用到各种电力电子元件，从而使低压配电系统增加了大量的非线性负载，这些非线性负荷产生的谐波电流会降低供用电设备本身的安全性，有时甚至会严重干扰到电网的经济运行。[4-6]因此，在对配电网进行无功补偿的同时设计加装滤波器（用来减少谐波电流）是十分必要的。
1.准备滤波的原始数据
在设计如何加装滤波器之前，我们还应对无功补偿之后配电网的系统运行进行谐波分析，求解出各谐波源向电力系统注入的各次谐波电流；另外还要严格按照国家标准来对各次谐波电流和电压含量以及电压总谐波畸变率的极限值进行确定；确定滤波装置应提供的无功补偿容量，补偿后配电网的背景谐波。
2.确定滤波装置的构成
所谓滤波装置的构成，是指由多少组单谐调的滤波器构成，高通滤波器是否有必要装设，如何选取截止频率，为了满足无功功率补偿要求，采用的是哪种设计方式。
对于单调谐滤波器而言，就应该根据谐波源产生的主要特征谐波电流来进行考虑。而对于整流性的谐波源而言，一般情况下，只需要设奇次滤波器就足以满足要求。对于滤除更高次的谐波而言，那么可以通过设立一组高通滤波器来应对这个问题。至于非主要特征的3次谐波，在决定是否设滤波器时，主要的依据是电流大小以及会不会发生3次谐波谐振。另外需要注意的是，由于电弧炉负荷电流的频谱是连续的，所以在设计滤波器时，不但要考虑到滤波器对2-5次主导谐波电流的滤波效果，还要考虑到谐波电流的系数最好不要超过5。
一般来说，为了使滤波装置能够很好地满足无功补偿的要求，可以使用以下的方法：第一种方法是按照滤波的要求来对滤波装置进行设计，如果无功容量不能满足无功补偿的要求，那么可以通过加装并联电容器的方式来解决这一问题；第二种方法是增大滤波器的容量，从而使滤波器很好地满足无功补偿的要求。比较而言，前者较为简单，运行较为灵活，能节省一笔可观的投资；后者的优点是过滤谐波的效果很好。至于具体应用时应采用哪一种方法，可以通过比较具体工程的技术经济之后来确定。
3.设计和校核滤波装置
初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器或C型高通滤波器中各元件参数、容量等。单独设计好各个滤波器之后应对以下各方面进行进一步计算和校核：
一是全面仔细地计算各滤波器对彼此的相互影响。在初步确定滤波装置之后可重新设计每个滤波器，将系统谐波阻抗与其他滤波器的阻抗作为设计失踪的系统谐波阻抗。另外还要将并联电容器带来的影响考虑在内。
二是校核之前设计的滤波装置是否能够很好地满足系统对谐波抑制的要求。如果滤波装置不能满足谐波抑制的要求，那么就应该对相应的滤波器的参数进行仔细的修订，直到满足谐波抑制的要求为止。
三是对系统进行谐波潮流计算，若在低次非特征谐波情况下有谐振现象则应考虑装设3次谐波滤波器。
对不同方案进行经济分析，按年费用最小进行最佳选择，最终确定滤波方案。 三、配网无功补偿产生谐波的仿真分析
针对上文中提到的设计思路，10kV供电网线路图如图1所示。负荷的无功功率在配网变压器的二次侧进行补偿，为了有效地研究配网无功补偿时产生的谐波信号，根据谐波的特点对信号进行模拟，谐波电流的模拟信号为：
取采样频率为，采样点数为N=1000，其信号如图2所示。
对配网10kV线路无功补偿后的谐波电流模拟信号进行傅里叶变换分析，其FFT频谱如图3所示。从图3可以看出，在配网10kV无功补偿，除50Hz工频信号外，会产生150Hz、250Hz、350Hz的奇次谐波。
针对配网10kV线路无功补偿后产生的谐波，通过配网无功补偿后的数据准备确定滤波装置构成、滤波装置的设计和校核分析计算，确定滤波装置参数方式，然后再进行滤波。如图4所示，配网10kV无功补偿后产生的3、5、7谐波与图3相比几乎被抑制。
四、结语
配网10kV线路通过加装无功补偿装置可以有效降低电网损耗、改善用户的电能质量，具有重要的意义，但产生的谐波会影响电力系统的稳定运行。本文的研究成果主要有以下几点：从配网无功补偿可行性的角度分析，对现有的三种补偿方案从补偿对象、改善电压水平、设备投资、设备利用率、设备维护的角度进行对比分析；针对配网无功补偿后产生的谐波进行研究，从配网原始数据准备、配网确定滤波装置的构成、滤波装置的设计和校核三个方面提出了配网无功补偿后滤波器的设计方案；基于PSCAD＼EMTDC仿真研究了滤波装置参数对配网10kV线路无功补偿后产生谐波的抑制效果。本文解决了配网无功补偿后产生谐波的抑制方法，具有工程实用价值。
参考文献：
[1]崔驰.低压配电网无功补偿浅析[J].电网技术，2000，24（7）：71-72.
[2]左辰，黄纯，周铁强.变电站谐波滤波、电压、无功综合控制[J].湖南大学学报，1998，25（3）.
[3]赵旺初.电力网的谐波源及降低谐波的措施[J].电力建设，
1999，（9）：22-24.
[4]黄纯，彭建春，江辉，等.谐波滤波、电压、无功综合控制装置的研制[J].电网技术，2000，24（3）.
[5]Dudi A Rendusara. An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWW drive systems[J].IEEE Trans.on Power Electronics，1998，13（6）：1135-1143.
[6]王建强.智能型配电网无功补偿系统[J].电网技术，2003，27
（4）：80-81.
（责任编辑：刘辉）
关键词：配电网；无功补偿；谐波；滤波器；电压
随着近些年来国民经济的高速发展以及用电高峰的飞速增长，人们对供电的可靠性和质量提出了更高更严的要求。由于夏季负荷的不断增加，电力系统的网络结构和电源分布持续地发生着改变，可能造成无功不足、降低电压水平，直接影响到电力系统向电力用户提供的电能质量，这在与用户直接相关的配电网中显得十分重要。[1-3]因此，对配电网进行无功补偿，在降低电网的损耗、改善用户的电能质量等方面具有重要意义。然而，在对配电网进行无功补偿的同时，使用的非线性补偿设备会产生谐波问题。谐波会直接影响变压器、通信设备、继电保护装置等设备的正常运行，严重时甚至会影响到电力系统的稳定运行。
本文针对配电网无功补偿的问题，在对常见的配电网的无功补偿方案进行分析、对比的基础上，针对补偿过程中产生的谐波危害提出了相应的解决方案。
一、无功补偿方案设计
1.常用无功补偿方案的比较
在理论上来讲，配网中无功补偿的最佳方案就是哪里产生的无功就在哪里补偿，这样一来，整个系统将不存在无功电流的流动。实际上，这是一种理想化的状态，现实中这种所谓的最佳方案不可能实施，这是因为，诸如变压器、输电线路以及各种负载均会产生无功。在实际电网的应用中，就配网无功补偿装置的安装位置而言，常见的补偿方式有以下几种：针对公共低压配电网采取低压母线集中补偿的方式；针对负荷较重的线路采取低压配电线路分散补偿的方式；难以实现分散补偿时，可采取在负荷侧进行集中补偿及在负荷就地补偿的方式。三种补偿方式效果比较如表1所示。
2.补偿容量计算
现以10kV线路补偿为例来计算无功补偿容量，一般而言，安装在10kV线路上的无功补偿设备主要是补偿线路上的感抗和配变上的励磁所消耗的无功功率。10kV供电网系统如图1所示，在配网变压器的二次侧进行无功补偿。
因此，补偿设备容量Qc为：
其中，k为补偿系数（0.95～0.98）；i为线路段号；D为补偿点位置；IDi为第i台变压器的励磁电流；为系统电压；Ifi为第i段线路的负荷电流，XLi为线路的感抗。
变电所配出的各条线路，经补偿后所剩下的面积（由电源提供的无功功率）统一由安装在变电所10kV母线上的电容器组进行补偿。
二、配电网无功补偿后的滤波器设计
在对配电网进行无功补偿的过程中会用到各种电力电子元件，从而使低压配电系统增加了大量的非线性负载，这些非线性负荷产生的谐波电流会降低供用电设备本身的安全性，有时甚至会严重干扰到电网的经济运行。[4-6]因此，在对配电网进行无功补偿的同时设计加装滤波器（用来减少谐波电流）是十分必要的。
1.准备滤波的原始数据
在设计如何加装滤波器之前，我们还应对无功补偿之后配电网的系统运行进行谐波分析，求解出各谐波源向电力系统注入的各次谐波电流；另外还要严格按照国家标准来对各次谐波电流和电压含量以及电压总谐波畸变率的极限值进行确定；确定滤波装置应提供的无功补偿容量，补偿后配电网的背景谐波。
2.确定滤波装置的构成
所谓滤波装置的构成，是指由多少组单谐调的滤波器构成，高通滤波器是否有必要装设，如何选取截止频率，为了满足无功功率补偿要求，采用的是哪种设计方式。
对于单调谐滤波器而言，就应该根据谐波源产生的主要特征谐波电流来进行考虑。而对于整流性的谐波源而言，一般情况下，只需要设奇次滤波器就足以满足要求。对于滤除更高次的谐波而言，那么可以通过设立一组高通滤波器来应对这个问题。至于非主要特征的3次谐波，在决定是否设滤波器时，主要的依据是电流大小以及会不会发生3次谐波谐振。另外需要注意的是，由于电弧炉负荷电流的频谱是连续的，所以在设计滤波器时，不但要考虑到滤波器对2-5次主导谐波电流的滤波效果，还要考虑到谐波电流的系数最好不要超过5。
一般来说，为了使滤波装置能够很好地满足无功补偿的要求，可以使用以下的方法：第一种方法是按照滤波的要求来对滤波装置进行设计，如果无功容量不能满足无功补偿的要求，那么可以通过加装并联电容器的方式来解决这一问题；第二种方法是增大滤波器的容量，从而使滤波器很好地满足无功补偿的要求。比较而言，前者较为简单，运行较为灵活，能节省一笔可观的投资；后者的优点是过滤谐波的效果很好。至于具体应用时应采用哪一种方法，可以通过比较具体工程的技术经济之后来确定。
3.设计和校核滤波装置
初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器或C型高通滤波器中各元件参数、容量等。单独设计好各个滤波器之后应对以下各方面进行进一步计算和校核：
一是全面仔细地计算各滤波器对彼此的相互影响。在初步确定滤波装置之后可重新设计每个滤波器，将系统谐波阻抗与其他滤波器的阻抗作为设计失踪的系统谐波阻抗。另外还要将并联电容器带来的影响考虑在内。
二是校核之前设计的滤波装置是否能够很好地满足系统对谐波抑制的要求。如果滤波装置不能满足谐波抑制的要求，那么就应该对相应的滤波器的参数进行仔细的修订，直到满足谐波抑制的要求为止。
三是对系统进行谐波潮流计算，若在低次非特征谐波情况下有谐振现象则应考虑装设3次谐波滤波器。
对不同方案进行经济分析，按年费用最小进行最佳选择，最终确定滤波方案。 三、配网无功补偿产生谐波的仿真分析
针对上文中提到的设计思路，10kV供电网线路图如图1所示。负荷的无功功率在配网变压器的二次侧进行补偿，为了有效地研究配网无功补偿时产生的谐波信号，根据谐波的特点对信号进行模拟，谐波电流的模拟信号为：
取采样频率为，采样点数为N=1000，其信号如图2所示。
对配网10kV线路无功补偿后的谐波电流模拟信号进行傅里叶变换分析，其FFT频谱如图3所示。从图3可以看出，在配网10kV无功补偿，除50Hz工频信号外，会产生150Hz、250Hz、350Hz的奇次谐波。
针对配网10kV线路无功补偿后产生的谐波，通过配网无功补偿后的数据准备确定滤波装置构成、滤波装置的设计和校核分析计算，确定滤波装置参数方式，然后再进行滤波。如图4所示，配网10kV无功补偿后产生的3、5、7谐波与图3相比几乎被抑制。
四、结语
配网10kV线路通过加装无功补偿装置可以有效降低电网损耗、改善用户的电能质量，具有重要的意义，但产生的谐波会影响电力系统的稳定运行。本文的研究成果主要有以下几点：从配网无功补偿可行性的角度分析，对现有的三种补偿方案从补偿对象、改善电压水平、设备投资、设备利用率、设备维护的角度进行对比分析；针对配网无功补偿后产生的谐波进行研究，从配网原始数据准备、配网确定滤波装置的构成、滤波装置的设计和校核三个方面提出了配网无功补偿后滤波器的设计方案；基于PSCAD＼EMTDC仿真研究了滤波装置参数对配网10kV线路无功补偿后产生谐波的抑制效果。本文解决了配网无功补偿后产生谐波的抑制方法，具有工程实用价值。
参考文献：
[1]崔驰.低压配电网无功补偿浅析[J].电网技术，2000，24（7）：71-72.
[2]左辰，黄纯，周铁强.变电站谐波滤波、电压、无功综合控制[J].湖南大学学报，1998，25（3）.
[3]赵旺初.电力网的谐波源及降低谐波的措施[J].电力建设，
1999，（9）：22-24.
[4]黄纯，彭建春，江辉，等.谐波滤波、电压、无功综合控制装置的研制[J].电网技术，2000，24（3）.
[5]Dudi A Rendusara. An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWW drive systems[J].IEEE Trans.on Power Electronics，1998，13（6）：1135-1143.
[6]王建强.智能型配电网无功补偿系统[J].电网技术，2003，27
（4）：80-81.
（责任编辑：刘辉）