諧波下無功衝擊的一種新對策
分析了在有諧波的系統中解決無功衝擊常見方案所存在的問題，提出一種新的解決策略，通過試驗及實際應用得到驗證，具有一定的推廣意義。
1引言無功衝擊是工業企業中如軋機、電機、電焊等負載運行中常見的一種現象。
另外，大的無功衝擊經常伴隨著諧波出現。使得問題變得更為複雜。增加了解決問題的難度。雖然針對此類問題有些相應的解決方案，
2.1一般方法
採用電容器分組投切，使用可控矽作為投切開關，通過控制器對系統無功功率的檢測，快速判斷需要投入（或切除）的無功功率容量，對需要投入（或切除）的電容器組發出投入（或切除）的指令，
圖1
2.2常見問題
以下以最大無功需求量為480kvar為例說明。
⑴電容器分組數。組數少則補償精度不夠；組數多則控制複雜且成本高。
圖2
但上述方法仍存在分組帶來的精度問題，另外回應時間將受到影響。由於各組工作的不均衡及相互影響，裝置的可靠性將受到影響。
⑵諧波影響問題。若系統中含有諧波，則由於電容器對諧波的放大，可能使電容器組無法正常工作，或電容器壽命大大縮短。一般採用串聯電抗器的方法，如串6%或12% 電抗器。如圖1、圖2所示。其目的是防止電容器對諧波的放大，且對諧波的抑制有一定作用。但濾波效率不高，一般諧波濾除率在30%左右，部分諧波甚至無法濾除。同時由於支路間的電容器、電抗器參數的分散性，
⑶濾波問題。為考慮濾除諧波同時進行補償，一般的方案是將補償的分組支路換為濾波分組支路，即每組的設計是按照濾除某次諧波進行設計。如在非線性負荷且動態變化的系統中，含有5、7、11、13次諧波電流，為濾除諧波且動態補償可採用圖3方案。
各支路根據系統無功需求進行投切，投入時按照圖3中從左到右的順序進行，切除時按照從右到左的順序進行。該方案除了前述問題之外，還有支路超載問題可能出現。說明如下，當系統無功需求不大時，只能投入部分支路，假如只需投入5TH、5TH、7TH三條支路，但此時的諧波電流未必小，很可能使某濾波之路發生超載。
圖3
3動態補償新方案——綜合有源補償3.1有源補償器
其可分為指令電流運算電路和補償電流生成電路兩大部分；由於指令電流運算電路採用的演算法是暫態無功理論，所以可以很快的計算出所需補償的無功電流，一般約在1/3週期。補償電流生成電路由大功率IGBT主電路、驅動電路及電流電流跟蹤控制電路組成，如圖4所示。
圖4
其中電流控制採用SVPWM方式，即利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間向量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式，其具有動態回應很快，易於電腦執行優點，可使補償電流適時性、平滑性更好。
3.2 綜合有源補償方案
有源濾波器與固定無源濾波器組成綜合有源補償方案，即利用有源濾波器的快速動態輸出感性或容性無功功率的性能，作為動態無功功率調節器；利用固定無源濾波支路作為諧波濾波器。如圖5所示。既解決了無功衝擊問題又解決了諧波問題。工作過程見圖6，說明如下：濾波支路長期投入，提供固定的800kvar容性無功。
在第0—2週期內，負載無功為0，此時有源補償器輸出800kvar感性無功，容性、感性無功抵消，使系統無功保持為0。在3—4週期，負載無功為感性400kvar，此時有源補償器輸出感性無功400kvar，仍使系統無功為0。在第9—10週期，負載無功為感性1200kvar，此時有源補償器輸出容性400kvar，仍使系統無功為0。在第11—12週期，負載無功為感性1500kvar，此時有源補償器輸出容性700kvar，仍使系統無功保持為0。
圖5
圖6
4 綜合有源補償的實際應用四川某企業一車間，主變1600kVA，負荷為頻繁起動的電動機，其中300kW電機4台（變頻調速兩台），160kW左右電機4台，55kW變頻調速電機8台。還有一些其它小負荷。在系統進線側測量情況見圖7。
圖7所示曲線分別為系統進線側線電流（A）、線電壓（V）、三相無功功率（kvar）。從圖中可以看出，負荷的特點是電流變化快、變化幅度大、以無功電流為主。電流最大值達到2900A，最大電壓跌落達13% ，最大無功1390kvar。諧波電流達30%。
企業早期針對此問題的解決方法是電容器組動態投切，但由於諧波問題和快速性問題致使電容器組無法滿足要求，且大量電容器損壞。為使其它設備能正常工作，不得已只好將供電電壓提高到了420V，但此做法不但沒有解決問題反而對設備安全及壽命造成威脅。
圖7
採用綜合有源補償方案後，固定濾波補償450kvar，有源補償450kvar。一次圖見圖5所示。補償前後測量情況見圖8。從測量圖中可以看出：綜合有源補償投入前相電壓波動範圍180~220V，投入後相電壓波動範圍則在220～230V。投入後無功電流衝擊基本消失，無功功率基本維持在0附近。完全解決了一直困惑著企業的難題。
圖8
5結論綜合有源無功補償方案是有源補償和無源濾波補償相結合的優化方案，其利用有源補償的快速性及可輸出感性無功亦可輸出容性無功的特點，進行快速補償無功功率；利用無源濾波補償進行濾波和固定的無功補償。
從性能看，該方案完全可以解決無功衝擊的影響，同時還可兼顧濾波，是解決電壓閃變、波動、不平衡等問題較佳方案之一，可廣泛用於如焊機、電機起動等無功衝擊的各種工況中。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“諧波下無功衝擊的一種新對策”，作者為薛靖、彭華良、薛建科、邱先鋒。）
切除時按照從右到左的順序進行。該方案除了前述問題之外，還有支路超載問題可能出現。說明如下，當系統無功需求不大時，只能投入部分支路，假如只需投入5TH、5TH、7TH三條支路，但此時的諧波電流未必小，很可能使某濾波之路發生超載。圖3
3動態補償新方案——綜合有源補償3.1有源補償器
其可分為指令電流運算電路和補償電流生成電路兩大部分；由於指令電流運算電路採用的演算法是暫態無功理論，所以可以很快的計算出所需補償的無功電流，一般約在1/3週期。補償電流生成電路由大功率IGBT主電路、驅動電路及電流電流跟蹤控制電路組成，如圖4所示。
圖4
其中電流控制採用SVPWM方式，即利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間向量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式，其具有動態回應很快，易於電腦執行優點，可使補償電流適時性、平滑性更好。
3.2 綜合有源補償方案
有源濾波器與固定無源濾波器組成綜合有源補償方案，即利用有源濾波器的快速動態輸出感性或容性無功功率的性能，作為動態無功功率調節器；利用固定無源濾波支路作為諧波濾波器。如圖5所示。既解決了無功衝擊問題又解決了諧波問題。工作過程見圖6，說明如下：濾波支路長期投入，提供固定的800kvar容性無功。
在第0—2週期內，負載無功為0，此時有源補償器輸出800kvar感性無功，容性、感性無功抵消，使系統無功保持為0。在3—4週期，負載無功為感性400kvar，此時有源補償器輸出感性無功400kvar，仍使系統無功為0。在第9—10週期，負載無功為感性1200kvar，此時有源補償器輸出容性400kvar，仍使系統無功為0。在第11—12週期，負載無功為感性1500kvar，此時有源補償器輸出容性700kvar，仍使系統無功保持為0。
圖5
圖6
4 綜合有源補償的實際應用四川某企業一車間，主變1600kVA，負荷為頻繁起動的電動機，其中300kW電機4台（變頻調速兩台），160kW左右電機4台，55kW變頻調速電機8台。還有一些其它小負荷。在系統進線側測量情況見圖7。
圖7所示曲線分別為系統進線側線電流（A）、線電壓（V）、三相無功功率（kvar）。從圖中可以看出，負荷的特點是電流變化快、變化幅度大、以無功電流為主。電流最大值達到2900A，最大電壓跌落達13% ，最大無功1390kvar。諧波電流達30%。
企業早期針對此問題的解決方法是電容器組動態投切，但由於諧波問題和快速性問題致使電容器組無法滿足要求，且大量電容器損壞。為使其它設備能正常工作，不得已只好將供電電壓提高到了420V，但此做法不但沒有解決問題反而對設備安全及壽命造成威脅。
圖7
採用綜合有源補償方案後，固定濾波補償450kvar，有源補償450kvar。一次圖見圖5所示。補償前後測量情況見圖8。從測量圖中可以看出：綜合有源補償投入前相電壓波動範圍180~220V，投入後相電壓波動範圍則在220～230V。投入後無功電流衝擊基本消失，無功功率基本維持在0附近。完全解決了一直困惑著企業的難題。
圖8
5結論綜合有源無功補償方案是有源補償和無源濾波補償相結合的優化方案，其利用有源補償的快速性及可輸出感性無功亦可輸出容性無功的特點，進行快速補償無功功率；利用無源濾波補償進行濾波和固定的無功補償。
從性能看，該方案完全可以解決無功衝擊的影響，同時還可兼顧濾波，是解決電壓閃變、波動、不平衡等問題較佳方案之一，可廣泛用於如焊機、電機起動等無功衝擊的各種工況中。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“諧波下無功衝擊的一種新對策”，作者為薛靖、彭華良、薛建科、邱先鋒。）