劉林，張艷華，席先鵬，王興成

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

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基于PPF的配網(wǎng)諧波治理仿真研究

劉林1，張艷華1，席先鵬2，王興成2

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了降低諧波對(duì)電網(wǎng)的不良影響，借助Matlab軟件，搭建配網(wǎng)模型和諧波源模型，并利用電力無(wú)源濾波器對(duì)配網(wǎng)諧波進(jìn)行治理研究，采用功率因數(shù)法和最小濾波電容安裝法來(lái)設(shè)置濾波器的電力參數(shù)，通過(guò)Simulink仿真，都達(dá)到了比較好的諧波治理效果，在此基礎(chǔ)上提出了考慮配網(wǎng)背景諧波的改進(jìn)型最小濾波電容安裝法，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)配網(wǎng)的總諧波畸變率和含有率更小，達(dá)到了更好的諧波治理效果，而且更經(jīng)濟(jì)。在濾波器設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮交流系統(tǒng)背景諧波和系統(tǒng)阻抗對(duì)諧波治理效果的影響，這會(huì)使諧波治理的效果更好，更經(jīng)濟(jì)。

諧波源；Matlab仿真；背景諧波；功率因數(shù)法；最小濾波電容安裝法

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量非線性負(fù)載和電力電子裝置，造成配網(wǎng)中諧波污染日益嚴(yán)重，加快電網(wǎng)諧波治理，提高配網(wǎng)電能質(zhì)量顯得尤為重要和迫切。

目前主要是從改造諧波源本身和加裝諧波抑制裝置兩方面入手。文獻(xiàn)[1]指出了諧波的危害是多方面的，如給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)附加損耗，可能導(dǎo)致并聯(lián)電容器和系統(tǒng)中其它元件在某個(gè)頻段才生諧振，引起變壓器局部過(guò)熱和運(yùn)行噪聲大，使繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)等。文獻(xiàn)[2]從諧波主動(dòng)治理和被動(dòng)治理兩個(gè)角度闡述了現(xiàn)有的常用諧波治理方式和未來(lái)諧波治理的發(fā)展趨勢(shì)，被動(dòng)治理主要是應(yīng)用無(wú)源電力濾波器 (Passive Power Filter，PPF)和有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)來(lái)治理，低壓配網(wǎng)的諧波治理理論已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平，但中高壓電網(wǎng)的諧波治理還有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[3-5]提出了考慮電壓電流諧波含量、濾波器初期投資、無(wú)功功率補(bǔ)償容量等多目標(biāo)約束條件，并結(jié)合遺傳算法來(lái)進(jìn)行諧波治理裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出了通過(guò)電流源來(lái)模擬諧波源的方法，并結(jié)合實(shí)際的諧波數(shù)據(jù)和Matlab軟件展開(kāi)了對(duì)諧波治理的仿真研究，設(shè)計(jì)出了電流型諧波源負(fù)載的黑盒模型。文獻(xiàn)[7]中針對(duì)APF補(bǔ)償諧波電流時(shí)易產(chǎn)生較大的紋波，提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的LCL濾波器設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

以上文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮到背景諧波對(duì)無(wú)源濾波器參數(shù)的影響，本文從考慮背景諧波入手，在利用功率因數(shù)法和最小濾波電容安裝法對(duì)配網(wǎng)的諧波治理進(jìn)行了仿真研究的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)型的功率因數(shù)法，使無(wú)源濾波器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置更合理。

2 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的理論分析

2.1 用戶電流數(shù)據(jù)分析

該數(shù)據(jù)來(lái)源于一個(gè)耐磨制品廠，因本次實(shí)驗(yàn)主要用到電流諧波數(shù)據(jù)，在仿真中主要用到了A相的數(shù)據(jù)，其它兩相仿真原理一樣，所以在僅列出A相電流經(jīng)傅里葉分解后的參數(shù)，并與國(guó)標(biāo)比較后標(biāo)注了超標(biāo)了的諧波。具體參數(shù)如表1和表2所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以看出5、7、11、13、17、19、25次諧波電流均出現(xiàn)超標(biāo)；從電流波形來(lái)看，諧波電流的存在使基波電流的波形畸變嚴(yán)重，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的波形相差大。根據(jù)表2可看出電壓諧波里含量大的主要是奇次，其中5、7、11、13、17、19、25次諧波都超標(biāo)。

2.2 功率因數(shù)法配置濾波器的參數(shù)

對(duì)于一般工廠，要求月平均功率因數(shù)在0.9以上，一般都需要進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，該方法正式從無(wú)功容量入手，對(duì)無(wú)源濾波器的參數(shù)進(jìn)行配置。設(shè)定初始配網(wǎng)功率因數(shù)為0.85，經(jīng)濾波后的功率因數(shù)為0.95，最佳調(diào)諧銳度值Q取50。根據(jù)表1和表2可算得A相的相電壓U相、相電流I相、總有功P、總無(wú)功功率Q等。相關(guān)計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[9]，表示如下：

接下來(lái)是確定濾波裝置總的待補(bǔ)償基波無(wú)功容量Qc計(jì)算公式為:

Qc=Pc(tanφ1-tanφ2)

其中，Pc為工廠月最大有功計(jì)算負(fù)載，φ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)角，φ2為補(bǔ)償后功率因數(shù)角，一般取0.92～0.95。

其次，將總的無(wú)功容量分配到各個(gè)調(diào)諧及高通濾波器上。工程上，常常按流過(guò)該次濾波器的電流I(n)大小來(lái)分配其單調(diào)諧濾波器上的無(wú)功補(bǔ)償容量Qfn。其中:

表1 A相諧波電流統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表2 A相諧波電壓統(tǒng)計(jì)報(bào)表

在確定了某單調(diào)諧濾波器的無(wú)功補(bǔ)償容量后，根據(jù)濾波器的基波無(wú)功補(bǔ)償容量Qfn與濾波器電容器的基波無(wú)功補(bǔ)償容量關(guān)系為:

得電容值

再由電容C確定電感L如下：

在諧振頻率fs下，L或C的電抗X與電阻R的比值為Q。

其中，Q稱(chēng)為濾波器的調(diào)諧銳度，或電感線圈的品質(zhì)因數(shù)，一般最佳Q值在30～60的范圍內(nèi)。根據(jù)以上公式并結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，算得各濾波器的參數(shù)表3所示。

表3 功率因數(shù)法下的各濾波器參數(shù)

2.3 最小安裝法配置濾波器的參數(shù)

圖1 單調(diào)諧濾波器模型

諧波電流產(chǎn)生的容性無(wú)功：

則安裝容量

再根據(jù)各個(gè)調(diào)諧支路的最小安裝容量計(jì)算出各調(diào)諧支路的濾波參數(shù)C、R、L。即：

根據(jù)以上公式并結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，算得各濾波器的參數(shù)如表4所示。

2.4 改進(jìn)型的最小安裝容量法

考慮到交流系統(tǒng)中的背景諧波的影響，首先將原始數(shù)據(jù)中諧波電流超標(biāo)了的均增大10%，再以此增大后的諧波電流作為最小安裝容量公式

表4 最小安裝法下的各濾波器參數(shù)

根據(jù)相關(guān)公式并結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，算得各濾波器的參數(shù)表5所示。

表5 改進(jìn)型的最小安裝法下的各濾波器參數(shù)

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 搭建諧波源模型

一般要模擬實(shí)際的諧波源往往比較困難，以前用整流模塊來(lái)模擬具有整流性質(zhì)的用戶負(fù)載，但是仿真過(guò)程中的諧波與實(shí)際負(fù)載諧波很不一樣，那么用設(shè)計(jì)的濾波器來(lái)濾除實(shí)際的負(fù)載諧波，不僅可信度不高，而且效果也不是很好。參照文獻(xiàn)[10]的方法，利用電流源疊加的方式來(lái)模擬實(shí)際負(fù)載產(chǎn)生的諧波，結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，搭建電流諧波源仿真圖如圖2所示,模擬的諧波源效果如圖3所示。

3.2 搭建仿真系統(tǒng)

考慮到諧波的產(chǎn)生大多是由于電力電子設(shè)備和非線性負(fù)載連接到電網(wǎng)中運(yùn)行，于是用三相電源和RLC負(fù)載模擬主電網(wǎng)，用諧波源來(lái)模擬配網(wǎng)中的用電企業(yè)，

用3個(gè)單調(diào)諧濾波器和一個(gè)高通濾波器來(lái)抑制用電負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，具體的總仿真系統(tǒng)圖如圖4所示。仿真圖4中的Subsystem是封裝好的諧波源子模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電流源疊加模擬諧波源

圖3 模擬諧波源產(chǎn)生的諧波

圖4 配網(wǎng)系統(tǒng)諧波治理仿真圖

3.3 仿真結(jié)果比較

根據(jù)表3～表5中的數(shù)據(jù)，設(shè)置濾波器參數(shù)，完成仿真調(diào)試。在加入諧波濾波裝置前的配網(wǎng)電流波形如圖5所示。

根據(jù)上述三種濾波方案濾波，得到的濾波效果圖如圖6所示。

通過(guò)直觀地看濾波波形，都還比較理想，但通過(guò)電流波形傅里葉分析后，發(fā)現(xiàn)濾波后，配網(wǎng)電流中的諧波含量和諧波畸變率還是不一樣的，具體結(jié)果如表6所示。

圖5 含諧波的配網(wǎng)電流波形

圖6 濾波后的配網(wǎng)電流波形

表6 諧波治理效果比較

各項(xiàng)指標(biāo)方案一方案二方案三濾波前總諧波畸變率%23 0423 0423 04規(guī)定的總諧波畸變率限值%4 04 04 0濾波后總諧波畸變率%1 720 840 63

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要考慮系統(tǒng)阻抗對(duì)濾波效果的影響，當(dāng)計(jì)及交流系統(tǒng)阻抗時(shí)，濾波的效果就應(yīng)由濾波器和交流系統(tǒng)的綜合阻抗來(lái)確定。除了考慮現(xiàn)有的負(fù)載諧波，還要考慮到電網(wǎng)本身的諧波，并在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮留一定的裕量，因?yàn)闉V波器扮演的角色不僅是濾波，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)濾波器的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了改進(jìn)，使濾波效果更好，但不足之處是濾波器的參數(shù)設(shè)置是固定的，不能根據(jù)系統(tǒng)諧波含量的變化來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整濾波參數(shù)，不適用于負(fù)載變化較大的系統(tǒng)。

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Simulation Research on the Distribution Netwrok Harmonic Control Based on PPF

LIULin，ZHANGYan-hua，XIXian-peng，WANGXing-cheng

(Electrical Engineering and New Energy College,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

With the help of Matrix Laboratory software,this paper build a distribution network model of harmonious waves,and use the passive power filter to governance research of distribution network harmonic,power factor method and minimum filtering capacitor installation method is used to set the filter of electricity parameters,by Simulink simulation,has achieved a good result for harmonic governance,based on this put forward considering the distribution network background harmonic modified minimum filter capacitor installation method,the simulation found that the distribution network of a smaller total harmonic distortion rate and the containing rate,achieved better effect of harmonic governance,and more economical.In the filter should be fully considered in the design of communication system background harmonic and the effects of the system impedance to harmonic governance will make harmonic treatment effect is better,more economic.Key words：harmonic source;matlab simulation;background harmonic;the power factor method;minimum filter capacitor installation method

1004-289X(2015)04-0061-05

TM761

A

2015-01-04

劉林(1989-)，男，湖北公安人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制，配電網(wǎng)的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化控制方面的研究。