摘 要：叙述了配电网无功补偿和谐波的基本理论及其危害，引入了多通道注入式HAPF与晶闸管控制电抗器(TCR)联合运行系统对无功和谐波问题进行仿真治理研究，仿真结果表明该系统可以有效消除谐波并改善无功功率因数低的问题，对电网节能有重要意义。
关键词：配电无功;谐波控制;节能
0引言
电力节能作为电力网络系统输配电“老生常谈”的问题，也是为响应当今社会“节能减耗”倡导所需关注的重点所在。配电网无功补偿不足和谐波污染是近年来造成配电网功率因数低、谐波污染大、电能损失严重、电能质量下降等方面问题的主要原因。电力节能的实施首要问题是要降低电网功率损耗，这一途径也成为当前研究与应用电力节能的焦点领域。
1.无功和谐波基本理论及其危害
1.1无功和谐波的概念[1]
在供用电系统中，交流电压和交流电流的理想期望是处在恒定频率的正弦波形，分别表示为：
式中，U为电压有效值(V);I为电流有效值(mA); 为电压初相角(rad); 为电流初相角(rad)。
电路的有功功率(kW)表示为：
一般来说，无功功率表示的是电路中的储能元件(电感或电容)与电源之间的能量交换的幅度。在交流电路的1个周期内，储能元件完成能量从电源的吸收和返回，理想无损状态下，虽然周期内其平均功率为零，但在这电能的一收一放中，电磁场和电网的稳定性就会随之建立。因此，“无功”并非“无用”。
电气设备功率设计极限即最大可利用容量(kW)用视在功率定义，表示如下：
功率因数的物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。
由公式(6)可知，提高 ，可使P值有效增大。所以改善 可使设备充分发挥潜力、提高利用率。
表1 施加电压及电路波形情况
1.2无功和谐波的危害
无功功率对企业配电网影响主要体现在以下几个方面：a) 无功功率的增大会导致P和S值增大，从而造成线路和设备的规格、容量增大和损耗增加;b) 无功功率的增加会使线路和变压器压降增大，冲击性载荷还会使电网产生波动，影响供电质量，示意图见图1。
图1 无功引起压降示意图
引起的电压降 (V)为：
式中， ：线路阻抗(Ω)，
其中负荷电流(mA)表示为：
由于电网中一般 远小于 ，所以电网电压的波动主要由无功功率引起;
无功容量不足和过剩会造成负荷端的供电电压过低或过高，影响正常的生产和生活用电。非线性设备的大量应用使电网中的谐波含量过大，电网母线畸变严重，从而污染电力系统、影响电能质量、恶化设备运行。
2.配电网谐波与无功的综合动态治理
为实现企业配电网高压系统动态的无功调节和谐波治理，本文提出一种多通道注入式HAPF与晶闸管控制电抗器(TCR)联合运行系统，以期实现中高压配电网谐波与无功的综合动态治理。
2.1联合运行系统结构和工作原理
本文选用的多通道注入式HAPF结构如图2所示，相对于此类型常见的结构，其用电感器 与有源部分并联，从而可以通过有源部分的逆变器平衡电网中的能量，并有效控制直流侧电压的过量增大，保证系统运行安全稳定。
图2 多通道注入式HAPF结构
将此多通道注入式HAPF与静止无功补偿器组合在一起，可以实现谐波与无功的同时动态补偿和谐波电流的消除，基于此确立混合补偿系统结构如图3所示。该系统由静止无功补偿器(SVC)和改进多通道注入式HAPF组成。
图3 联合运行补偿系统
对该系统进行如表2所示的代替和简化，得到其简化等效电路如图4所示。
表2 原件、参数简化及替代情况
图4 系统等效电路
式中， ：逆变器输出电压(V);
：固定电容组阻抗(Ω);
：为基波串联电路电流(mA);
：注入支路电流(mA);
：流经输出电抗器的电流(mA);
化简式(10)得到谐波电流(mA) 为，
由式(11)可知，通过合理控制电压型逆变器输出谐波电压 的大小，可以有效地降低电网谐波电流 值，还能有效地抑制TCR产生的谐波。
2.2分频控制方法
本文采用分频控制方法结合前述联合系统进行研究。在该方法中采用改进的 算法对特定次数的谐波进行分频检测，首先将电流通过式(12)从三相转化为两相。
式中， ， ：两相电流各相值(mA);
， ， ：三相电流各相值(mA);
通过采用不同的 函数将m次谐波电流通过式(2.4)转化为直流分量。
式中，m为谐波次数; 为基波角频率(Hz); 为瞬时有功电流(mA); 为瞬时无功电流(mA)。
总的控制信号=电流跟踪控制信号+直流侧电压稳定控制信号，如式(14)所示：
式中： 和 分别为用于电流跟踪控制的PI控制器的比例系数和积分系数; 为负载谐波电流误差信号。
2.3采用分频控制进行仿真实验
本文针对实际应用中存在的6 kV母线侧电解整流装置存在的谐波、无功功率因数低的情况，基于仿真软件应用前述联合运行系统进行治理效果的仿真研究。仿真结果见图5。
A 治理前电流波形 B 应用本联合系统治理前电流波形
图5 治理前后的电网电流波形
由图5可知，治理以后电网电流谐波总畸变率由6.6%降低到2.7%。仿真结果表明本文提出的分频控制方法可有效消除谐波和治理无功功率因数偏低的问题。
3结语
综上，配电网的无功和谐波治理的理论方法还有很多，通过新兴电气元件的结合以及新技术的分开发，将有更多简单有效地控制方法应用到配电网的节能减耗之中。
参考文献：
[1] 赵伟.改进多通道注入式HAPF与TCR联合系统[J].电机与控制学报,2012,2(16):32-37.
原标题：配电网无功和谐波控制的节能技术研究
