利用有源濾波器對電能質(zhì)量檢測與綜合治理

摘 要我國電力系統(tǒng)中理想的電壓、電流波形都是頻率為50Hz的正弦波，但是由于非線性用電設(shè)備的大量應(yīng)用產(chǎn)生了畸變諧波電流，從而耦合產(chǎn)生諧波電壓。諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，諧波的存在將對電力系統(tǒng)中精密儀器及通信設(shè)備產(chǎn)生干擾、降低電力系統(tǒng)效率、繼電保護(hù)誤動(dòng)作等危害，諧波的治理方式可采用無源濾波和有源濾波兩種方式，本文從基于有源濾波的工作原理、治理方式、容量計(jì)算等方面闡述對電能質(zhì)量的檢測與治理。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng) 諧波 有源濾波

1 引言

近年來，我國的電力行業(yè)逐漸對諧波電流有了一定的認(rèn)識(shí)，在通信行業(yè)的最新標(biāo)準(zhǔn)中，增加了對UPS設(shè)備輸入電流諧波含量的要求，規(guī)定根據(jù)UPS容量的大小和使用場所的重要性等情況將諧波含量指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)，即5%、15%和25%，在通訊領(lǐng)域，為了降低諧波對通信設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生干擾，使整個(gè)供電系統(tǒng)更安全可靠，將整個(gè)系統(tǒng)中各點(diǎn)的電流諧波含量均控制在5%以內(nèi)是最佳的選擇。因此，在新建項(xiàng)目中，均已對各種設(shè)備專門提出諧波指標(biāo)相關(guān)的要求，以保證系統(tǒng)中的諧波在建設(shè)時(shí)就得到控制；對于現(xiàn)有系統(tǒng)，由于其正在運(yùn)行，改造的難度和投資都相對大一些，因此，可考慮在能夠保證整個(gè)系統(tǒng)基本安全的前提下，適當(dāng)降低諧波治理的要求。

2 諧波危害分析

評價(jià)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有三方面：

（1）系統(tǒng)電壓，包含電壓的波動(dòng)、電壓的偏移、電壓的閃變等；

（2）頻率波動(dòng)；

（3）電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。

諧波的危害主要有使電力系統(tǒng)中產(chǎn)生損耗，降低用電效率，如果大量三次諧波流過中性線會(huì)使線路過熱，甚至發(fā)生火災(zāi)；引起電網(wǎng)諧振，使諧波電流放大，對系統(tǒng)特別是電容電抗造成影響；導(dǎo)致繼電保護(hù)特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，同時(shí)使電氣測量儀表計(jì)量產(chǎn)生誤差；對通信設(shè)備及信號(hào)處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，干擾精密儀器正常工作等。

3 有源濾波器工作原理分析

電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成，根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓型APF（儲(chǔ)能元件為電容）和電流型APF（儲(chǔ)能元件為電感）。電壓型APF在工作時(shí)需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波；而電流型APF在工作時(shí)需對直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。

圖1是有源濾波器（APF）的工作原理圖，假設(shè)電力系統(tǒng)負(fù)荷電流為，其中高次諧波為，若APF產(chǎn)生與幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流，則電源側(cè)的補(bǔ)償后電流則為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，電力有源濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路，應(yīng)由高次諧波電流的檢測、調(diào)節(jié)、控制和補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

4 諧波治理方式

電能質(zhì)量檢測與治理方式針對不同的場合可分為集中治理、局部治理和就地治理三種方式。

4.1 集中治理

如圖3所示，該方式為在整個(gè)電力配電系統(tǒng)前端設(shè)置有源濾波器，采用集中治理的方式抑制諧波，適用于單臺(tái)設(shè)備諧波含量小，但數(shù)量大、布局分散的場合，雖然單臺(tái)設(shè)備諧波電流小，諧波含量低，但整個(gè)電力系統(tǒng)的總電流大，總諧波電流大。

4.2 局部治理

如圖4所示，該方式為在諧波源前端設(shè)置有源濾波器，采用局部治理方式抑制諧波，適用于諧波源集中在某一條或者幾條配電線路，如精密儀器，高性能計(jì)算機(jī)等，雖然單臺(tái)設(shè)備的諧波電流小，但為防止其他非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波對其產(chǎn)生危害，采用局部治理。

4.3 就地治理

如圖5所示，該方式為在主要諧波源的前端設(shè)置有源濾波器，采用就地治理抑制諧波，適用于諧波源比較明確且單臺(tái)設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng)，如大型綜合體的泛光照明、劇場的可控硅調(diào)光設(shè)備等，單臺(tái)設(shè)備電流大，諧波含量高，為防止諧波電流污染電力系統(tǒng)，影響其他用電設(shè)備，采取就地治理。

5 有源濾波器容量計(jì)算

由于諧波是因非線性設(shè)備產(chǎn)生，而用電設(shè)備在實(shí)際工作中實(shí)時(shí)狀態(tài)不同，因此實(shí)際諧波電流需采用專用設(shè)備進(jìn)行測量。在項(xiàng)目電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)諧波治理的額定諧波補(bǔ)償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流，但是諧波電流的測量和計(jì)算比較復(fù)雜，且在設(shè)計(jì)是不可能采集足夠的用電設(shè)備使用中的實(shí)際諧波數(shù)據(jù)。可根據(jù)以下方式估算諧波電流進(jìn)行有源濾波器選型，然后在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)采集的諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

5.1 根據(jù)負(fù)載額定電流選型

Ih=Ii* THDi

其中：Ih為諧波補(bǔ)償電流；Ii為電力系統(tǒng)負(fù)載額定電流；THDi為電流總諧波畸變率。

5.2 根據(jù)變壓器容量選型

Ih=（ST*K1*THDi）/（1.732*Us*）

其中：ST為變壓器容量；K1為變壓器負(fù)荷率，通常取0.6～0.8；Us為低壓系統(tǒng)電壓；THDi為電流總諧波畸變率。

參考值詳見表1。

6 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力行業(yè)越來越重視系統(tǒng)電能質(zhì)量，諧波治理在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段便進(jìn)行設(shè)計(jì)或預(yù)留，結(jié)合有源濾波方式的優(yōu)點(diǎn)，更多的項(xiàng)目采用該方式進(jìn)行電能檢測與治理，但已投入運(yùn)行的項(xiàng)目仍還不多，電力系統(tǒng)質(zhì)量的實(shí)際治理效果還待反饋與提高，因此需在系統(tǒng)運(yùn)行中盡早采取切實(shí)有效的諧波治理措施，通過濾波裝置抑制諧波，提高電能質(zhì)量，加快建設(shè)低碳環(huán)保型社會(huì)。

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作者簡介

全蜀（1986-），男，湖北省武漢市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為中建三局集團(tuán)有限公司工程師。研究方向?yàn)榻ㄖ姎狻?/p>

作者單位

中建三局集團(tuán)有限公司 湖北省武漢市 430000