隨著國民經濟的發展，用電負荷的增加，必然要求電網系統利用率的提高。但由于接入電網的用電設備絕大多數是電感性負荷，自然功率因素低，影響發電機的輸出功率;降低有功功率的輸出;影響變電、輸電的供電能力;降低有功功率的容量;增加電力系統的電能損耗;增加輸電線路的電壓降等。因此，連接到電網中的大多數電器不僅需要有功功率，還需要一定的無功功率。為減少電力輸送中的損耗，提高電力輸送的容量和質量，必須進行無功功率的補償。這些無功功率如果不能及時地得到補償的話，會對電網的安全、穩定運行產生不利影響

　　1，補償技術的應用情況

　　無功補償的應用目的：

　　（1）可以增加電網中有功功率的比例常數；

　　（2）改善電壓調整；

　　（3）減少發、供電設備的設計容量，減少投資；

　　（4）提供靜態和動態穩定；

　　（5）降低過電壓；

　　（6）減少電壓波動；

　　（7）降低線損；

　　（8）減少電壓和電流的不平衡。

　　諧波和無功功率的產生

　　在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作這是由其本身的性質所決定的。而相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器等電力電子裝置其交流側的電流也常常滯后于電壓，它們不但要消耗大量的無功功率，還要產生大量的諧波電流。

　　幾種無功補償裝置分析對比

　　電力系統中，常見的無功控制方法有同步調相機、同步電動機、異步電動機同步化、靜電電容器、大功率電力電子器件靜止無功補償裝置等。

　　（1）同步調相機：同步調相機相當于空載運行的同步電動機。在過勵磁運行時， 它向系統供給感性無功功率， 提高系統電壓; 在欠勵磁運行時， 它從系統吸取感性無功功率， 降低系統電壓。它有利于提高系統的穩定性， 雖然目前仍有使用， 但運行維護比較復雜， 而且技術上已顯得落后。

　　（2）同步電動機：利用過激磁的同步電動機，改善用電的功率因數，設備復雜，造價高，只適于在具有大功率拖動裝置是采用。

　　（3）靜電電容器：靜電電容器可以改善線路參數， 減少線路感性無功功率， 補償系統無功。但由于它供給的無功功率與節點電壓的平方成正比， 當節點電壓下降時，它供給的無功功率反而會減少， 所以電容器的無功功率調節性能比較差。但由于維護比較方便， 裝設容量可大可小， 既可集中使用、 又可分散裝設， 所以目前仍是我國主要的補償方式。

　　（4）靜止無功補償器（SVC）被用于電壓控制或用于獲得其它效益，如提高系統的阻尼和穩定性等;這類裝置的典型代表有：晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。靜止同步無功補償器是目前技術最為先進的無功補償裝置。它不再采用大容量的電容器，電感器來產生所需無功功率，而是通過電力電子器件的高頻開關實現對無功補償技術質的飛躍，特別適用于中高壓電力系統中的動態無功補償。通過對電抗器進行調節，可以使整個裝置平滑地從發出無功功率改變到吸收無功功率（或反向進行），并且響應快速。

　　諧波抑制與無功補償的關系

　　現代電力配電網中諧波抑制和無功功率補償不再是兩個獨立的問題，二者相互之間有非常緊密的聯系，主要表現在：

　　（1）無功補償與諧波抑制都與電力電子技術有密切的關系，而各種電力電子裝置目前已成為供用電系統最為主要的諧波源，同時其功率因數也很低，消耗大量的無功功率。

　　（2）補償諧波的裝置通常也都是補償基波無功功率的裝置，如LC濾波器、有源電力濾波器中的許多類型都可以補償無功功率，高功率因數整流器既限制了諧波，也提高了功率因數。

　　（3）很多無功補償裝置，如晶閘管控制電抗器（TCR）在正常運行時會產生大的特征諧波注入電網，因此必須采取措施將這些諧波濾除或減弱。

　　在波形畸變情況下， 視在功率S 與有功功率P 和無功功率Q 之間的關系變為：

　　S2＞P2+Q2 （1-1）

　　視在功率減去有功功率后余下的包括兩部份， 現用一數學量D 來表示所余下的其中一部份伏安值（習慣上D 就稱之為畸變功率）， 這樣， 視在功率就成為三維空間向量和， 即：

　　S2=P2+Q2+D2??? （1-2）

　　畸變功率D 具有無功功率的性質。因此，諧波電流可以看作是無功功率的增加（諧波無功功率）。它與電磁無功功率在電網中流動時一樣， 會增加線路和變壓器的銅損耗， 并使供電網絡的功率因數降低。

　　諧波的抑制

　　要解決配電系統的諧波和無功補償問題必須綜合考慮濾波和補償這兩方面的因素，能滿足要求的實現方法有很多，經過學習比較，這里主要研究兩種常見的濾波裝置。一種是無源濾波器；一種是有源濾波器。

　　1、無源濾波器

　　無源電力濾波器是傳統的補償無功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯濾波器濾除諧波的典型電路結構，通常是根據所要實現的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個簡單的串聯LC電路與諧波源并聯，應用其諧振原理，使某一次諧波在這個支路發生諧振，呈現低阻狀態，使該次諧波電流不再流入電網，達到抑制諧波的目的。如果要濾除若干次諧波，就用若干個單調諧LC濾波器并聯接到電網。無源電力濾波器還可以設計成雙諧振的，同時濾除兩種頻率的諧波，還可以設計成高通濾波器，以濾除某一次上的諧波。

　　無源濾波器的優點：因其結構簡單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎上還可以補償無功，改善功率因素；維護方便；造價低，運行費用也低；對某一次高次諧波的吸收效果明顯；設計制造經驗成熟。因此成為傳統的補償無功和抑制諧波的主要手段。

　　無源濾波器雖然存在上述諸多優點，但它也有不足之處。無源濾波器的濾波原理是在系統中為諧波提供一并聯低阻通路，因此由于結構原理上的原因，在應用中存在著一些難以克服的缺點：

　　（1）只能抑制按設計要求規定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調諧濾波器只對調諧點的濾波效果明顯，而對偏離調諧點的諧波無明顯效果。而實際工程設計時考慮到設計投資，不可能依靠增加濾波器的辦法解決。

　　（2）濾波特性受系統參數影響較大，濾波效果隨系統運行情況而變化，當系統阻抗和頻率波動時，濾波效果變差。特別是對電網阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個復雜的電力系統中，這兩個參數的變化規律很難精確預知，因此一個實際的濾波器要達到理想的濾波效果是很難的。

　　（3）當系統阻抗和頻率變化時，可能與系統發生串聯或者并聯諧振，從而會產生諧波放大現象，使裝置無法運行，甚至使整個濾波系統無法正常運行。

　　（4）當系統中諧波電流增大時，無源濾波器可能過載，甚至損壞設備。 （5）裝置體積大，損耗大。

　　（6）濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協調。

　　基于上述無源濾波器設計和運行中存在的問題，國內外的設計研究人員研究出若干解決辦法，通過采取優化設計，在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果。但無源濾波器由于原理上帶來的缺點是無法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。

　　2、有源電力濾波器

　　有源電力濾波器是一種能夠彌補無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設備，是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功進行補償。它的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。其應用可克服LC無源濾波器等傳統諧波抑制和無功補償方法的缺點，與傳統無源濾波器相比，具有突出的優點，概括起來主要有：

　　（1）實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。

　　（2）可同時對諧波和無功功率進行補償，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要儲能元件容量也不大，且補償無功功率的大小可做到連續調節。

　　（3）即使補償電流過大，有源電力濾波器也不會發生過載，并能正常發揮補償用。 （4）受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振。 （5）能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。

　　（6）既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。 基于有源濾波器的上述優點，采用有源電力濾波器是對諧波進行抑制的一個發展趨勢，因而受到廣泛的重視，對于保證電力系統運行的安全性、可靠性和經濟性具有重要意義，具有廣闊的應用前景。

　　但目前國內的有源濾波器還處于研發階段技術還不夠成熟，應用的有源濾波器大都是國外進口產品，如ABB公司，價格昂貴，只有少數的工廠和企業在用。因此在這里選用無源濾波裝置。

　　從工作原理來看，濾波裝置可分為兩類。一類為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發生的諧波與負荷產生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負荷產生的諧波，從而達到消除諧波的目的。這類濾波器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進一步研究。另外一類是無源濾波器，它是采用電容、電感諧振的原理來達到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實現濾波兼并補雙重作用。

　　致力于380V-35kV電網的諧波抑制與無功補償的動態無功補償裝置系統（TSC）分析

　　動態無功補償系統（TSC）的原理及應用 ：

　　動態無功補償裝置，采用晶閘管作為投切開關，跟隨負荷變化情況動態投切無功補償電容器組、實現改善電網功率因數的實時調節，響應速度為（10mS～20mS），即可在10mS～20mS內完成所有電容組的投入切除過程。如圖1，該裝置能有效調整電網的無功功率，使電網的功率因數達到0.95以上；并具有顯著的節能效果（25%以上）；根據現場負載無功與諧波情況，在TSC系統中采用特定的電抗器（占電容器容抗比例為5.67%~7.00%），可有效抑制諧波放大、降低TSC投切瞬間對電網的沖擊，達到有效改善供電系統功率因數的目的，滿足國標GB/T14549-93的相關要求。TSC一般采用過零投切，采用過零投切時電路的沖擊電流為零。為了投切效果更好，必須對電容預先充電。

　　現場工況初步分析：

　　我公司采礦車間配電示意圖如圖2所示，其中2*630kW提升機是最主要的諧波源，其配電情況主要器件參數如下：

　　供電變壓器：容量： ；短路阻抗： 6.9%；原邊電壓： ；副邊電壓： ；一次側電流57.7A，二次側電流874.8A。

　　提升機：額定功率： ；660V下直流提升機有2臺。

　　（1）當前主要問題：

　　① 耗電較高，存在無功補償問題；

　　②存在630kW直流提升機，故諧波主要在此；

　　③ 630kW直流提升機無功變化劇烈，需動態補償無功，同時濾除諧波；率因數為0.9。

　　④當前10kV母線功率因數較低。

　　（2）對采礦車間630KW提升機變壓器10KV側進行了現場測試，具體數據如下：

　　①系統無功功率在（524-1216）kVar間變化；

　　②功率因數最高時只有0.63，遠低于國標要求。必須補償無功。

　　③10kV母線電流畸變率很高，最高達110%，這是10kV系統不允許的，表明10kV母線諧波十分嚴重。由于提升機屬于直流負載，因此10kV母線諧波主要來自2臺630kW提升機整流柜。為分析流入1000kVA變壓器10kV側的諧波電流是否符合國標，根據用戶協議分析，當電網的公共連接點的最小短路容量不同于基準短路容量時，按下式修正的諧波電流允許值，基本轉換公式如下：

　　其中： －修正后的諧波電流允許值（h＝3，5，7，11，13）；

　　－基準電網短路容量，實際取值為100 MVA；

　　－實際電網短路容量， 。

　　注入1000kVA變壓器10kV側的5、11次諧波電流均超過了國家允許值，其中5次諧波超標4倍多，因此設計無功補償裝置時必須考慮諧波的治理問題。

　　分析結果：

　　考慮設計成本，采用在每臺提升機660V母線配置靜態濾波兼無功補償PPF與動態無功補償TSC相結合的治理方案，裝置整體無功補償容量1456kVar/660V，主要特點如下：

　　① 無源濾波容量為300kVar（690V），可有效濾除提升機產生的5次諧波；

　　② 動態無功補償容量為540kVar（720V），可滿足單臺提升機660V側電網的平均功率因數由0.2到0.90的無功補償需求。

　　③ 無源濾波裝置裝2面柜；動態無功補償裝置裝2面柜；

　　④ 可使660V電網瞬間功率因數最高達到0.95；

　　⑤ 在400V電網功率因數達到0.9的前提下，使10kV母線功率因數達到0.9以上。

　　⑥ 660V與10kV母線諧波滿足國家標準；

　　⑦ 有效抑制諧波，使原有無功補償電容器組可以投切。

　　無功補償技術是提高電網供電能力、減少電壓損失和降低網損的一種有效措施。電力電容器具有無功補償原理簡單、安裝方便、投資小，有功損耗小，運行維護簡便、安全可靠等優點。因此，在當前，隨著電力負荷的增加，要想提高電網系統的利用率，通過采用補償電容器進行合理的補償，是能夠提高供電質量并取得明顯的經濟效益的。傳統的無功補償裝置（如SVC）雖然目前應用比較廣泛，但由于損耗較大、自身諧波較多，技術上已顯落后，目前對它的研究主要集中在控制策略上。而基于電力電子逆變技術的無功補償裝置，由于其具有響應速度快、損耗及產生諧波小、能連續大范圍調節無功等諸多優點，正成為無功補償技術的發展方向。