電力系統(tǒng)諧波問題及基于混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)的治理方案

翟義德

（銅川供電局，陜西 銅川 727031）

電力系統(tǒng)諧波問題及基于混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)的治理方案

翟義德

（銅川供電局，陜西 銅川 727031）

供電系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的大量使用，對輸配電帶來越來越嚴(yán)重的負(fù)面影響。列舉了電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，分析了諧波對電力系統(tǒng)的危害，最后給出了結(jié)合無源阻抗調(diào)諧原理和有源電力電子變流技術(shù)的混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)諧波治理方案。

諧波；無源濾波；有源濾波；混合濾波

近年來，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、傳統(tǒng)工業(yè)、交通運(yùn)輸和家電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，極大地推進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展。但同時，電力電子裝置運(yùn)行時會消耗大量無功功率并產(chǎn)生諧波電流，嚴(yán)重污染了電網(wǎng)環(huán)境且日趨嚴(yán)重，已引起人們對它的廣泛重視。

1 電力系統(tǒng)諧波的成因與危害

在電力系統(tǒng)中，交流電壓和交流電流理想狀態(tài)應(yīng)成正弦波形。但當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變成非正弦波。如圖1所示，用戶負(fù)載為三相二極管整流器。這樣，連接在同一點(diǎn)的其他設(shè)備上就被施加了含有諧波成分的非正弦電壓。

圖1 配網(wǎng)中諧波電流傳導(dǎo)干擾方式

在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，各種傳統(tǒng)非線性設(shè)備主要包括電力變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電弧爐以及熒光燈管等。隨著各種整流器、逆變器、斬波器、開關(guān)電源以及不間斷電源等的大量使用，目前電力電子設(shè)備已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中首要的諧波源。

諧波會使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗，降低電網(wǎng)、輸電及用電設(shè)備使用效率，增加電網(wǎng)線損。額外的熱效應(yīng)會引起用電設(shè)備發(fā)熱，使絕緣老化，降低設(shè)備使用壽命。諧波可能使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。諧波也會引起一些保護(hù)設(shè)備誤動作，會導(dǎo)致電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確，同時還會對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2 電力系統(tǒng)諧波的治理方案

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，國內(nèi)外業(yè)界提出多種技術(shù)方案。按照其采用的電路結(jié)構(gòu)可以分為：無源濾波器、有源電力濾波器和混合電力濾波器三大類。

2.1 無源濾波技術(shù)

在電力系統(tǒng)中裝設(shè)無源濾波器(passive power filter)一直是補(bǔ)償無功、抑制諧波的主要手段。這種裝置由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，具有多種結(jié)構(gòu)，被補(bǔ)償負(fù)載并聯(lián)連接。它除了可濾除一定的諧波之外，還可進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。

無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、便于維護(hù)、既可補(bǔ)償諧波又可補(bǔ)償無功等優(yōu)點(diǎn)，但其本身也存在如下缺陷：濾波器的工作原理是調(diào)諧原理，因此對電網(wǎng)頻率和網(wǎng)絡(luò)阻抗的變化十分敏感，濾波效果不易保證；濾波器可能會和電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。由于電網(wǎng)中諧波的頻率范圍通常較寬，因此一般要設(shè)置多個無源濾波器。

2.2 有源濾波技術(shù)

有源電力濾波器(active power filter)是一種用于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置。它的基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，再由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。

有源電力濾波器可對頻率和大小都在變化的諧波以及無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，受電網(wǎng)阻抗的影響很小，不易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。在我國，有源電力濾波器雖已進(jìn)入實際工業(yè)現(xiàn)場，但現(xiàn)階段有源電力濾波器成本還比較高，且受制于電力電子器件的電壓等級，較難直接應(yīng)用于中高壓大容量的工業(yè)現(xiàn)場。

2.3 混合濾波技術(shù)

混合濾波器(hybrid power filter)技術(shù)是將無源濾波器和有源濾波器有機(jī)組合起來，其基本思想是用無源濾波器實現(xiàn)無功補(bǔ)償功能并分擔(dān)大部分的濾波功能，用有源電力濾波器來改善無源部分的濾波性能并抑制潛在的諧振現(xiàn)象。

混合濾波技術(shù)既有有源濾波器的優(yōu)異性能，又可以顯著減小有源變流器容量和整體系統(tǒng)的安裝成本，且適合于應(yīng)用在高電壓等級的工業(yè)現(xiàn)場，因此成為實際應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。由有源電力濾波器和無源濾波器構(gòu)成的混合型電力濾波器有多種拓?fù)潢P(guān)系，其具體結(jié)構(gòu)形式主要包括：LC諧振注入電路方式；并聯(lián)有源電力濾波器與無源濾波器兩者并聯(lián)后再并聯(lián)接入電網(wǎng)；并聯(lián)有源電力濾波器與無源濾波器兩者串聯(lián)后再并聯(lián)接入電網(wǎng)；串聯(lián)有源電力濾波器和無源濾波器混合使用等。其中前3種混合結(jié)構(gòu)為并聯(lián)電力濾波器，最后1種為串聯(lián)電力濾波器。

3 混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)諧波治理方案研究

并聯(lián)有源電力濾波器和并聯(lián)無源濾波器直接并聯(lián)結(jié)合而成的混合型電力濾波器方案如圖2所示。在這種電路中，無源濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，承擔(dān)了較低頻段的大部分濾波功能；有源電力濾波器的作用是濾除較高頻段的諧波電流，并改善整個系統(tǒng)的性能，其所需的容量與單獨(dú)使用方式相比可大幅度降低。與單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器相比，兩者有不少相似之處。

圖2 混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)濾波器原理

但使用這種裝置時，在有源電力濾波器與無源濾波器之間存在諧波通道，有可能使有源電力濾波器注入的諧波又流入到無源濾波器及系統(tǒng)中。從理論上講，只要使用LC濾波器，就存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能，因此在有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)使用方式中，需對有源電力濾波器進(jìn)行有效的控制，抑制可能發(fā)生的諧振。

4 應(yīng)用案例

某小型鋼鐵廠使用中頻爐熔化廢鋼料，由于中頻爐工作時會產(chǎn)生大量無功和諧波電流，降低了用戶供電變壓器流入電流的功率因數(shù)和電流畸變率。未投運(yùn)中頻爐負(fù)載時的供電電壓波形和供電變壓器電流如圖3所示?？梢钥吹剑藭r基本沒有電流，電網(wǎng)波形正常。

圖3 負(fù)載未投運(yùn)時網(wǎng)壓與供電電流波形

中頻爐負(fù)載投運(yùn)后的網(wǎng)壓與供電電流波形如圖4所示?？梢钥吹?，此時負(fù)荷向電網(wǎng)中注入大量無功和諧波電流。其中電流諧波成分包含有以50 Hz為基波頻率的低次諧波，也包含中頻爐工作時內(nèi)部諧振頻率上的高次諧波。

圖4 負(fù)載投運(yùn)后網(wǎng)壓與供電電流波形

安裝混合并聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器可對負(fù)荷產(chǎn)生的低次諧波進(jìn)行治理，同時補(bǔ)償功率因數(shù)。補(bǔ)償后的網(wǎng)壓與供電電流如圖5所示。補(bǔ)償前、后流入電網(wǎng)電流的頻譜圖如圖6所示。

圖5 補(bǔ)償后網(wǎng)壓與供電電流波形

圖6 補(bǔ)償前、后供電電流頻譜圖

從波形圖中可以看出，補(bǔ)償后供電電流基本與網(wǎng)壓同相位，無功電流得到很好補(bǔ)償。同時電流中的低次諧波成分得到很好濾除。頻譜分析表明，供電電流的總諧波畸變率由25 %降低為7 %。負(fù)荷所引起的電能質(zhì)量問題得到有效治理。

5 結(jié)語

隨著非線性負(fù)荷的日益增多，電網(wǎng)諧波污染給輸配電系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響越來越嚴(yán)重，已引起了供用雙方的廣泛關(guān)注。對于諧波污染問題，除了通過改造非線性負(fù)載特性之外，增設(shè)無源、有源濾波裝置是主要的解決方式，有源濾波技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)而成為發(fā)展方向。

1 王兆安．電力電子技術(shù)的發(fā)展動向[J]．電力電子技術(shù)，1995(4).

2 George J.W.著．電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M].徐政譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

3 王兆安，楊 君，劉進(jìn)軍，等．諧波抑制與無功補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

4 電力用アクティブフィルタ調(diào)查專門委員會．電力用アクティブフィルタ技術(shù)．日本電氣學(xué)會、電氣學(xué)會技術(shù)報告,(II部)第425號，1992.

5 アクティブフィルタ 機(jī)能を有する電力變換回路とシステム調(diào)查專門委員會アクティブフィルタ機(jī)能を有する電力變換回路とシステム, 1997.

6 錢照明，葉忠明，董伯藩．諧波抑制技術(shù)[J]．電力系統(tǒng)自動化，1997(10)．

7 H. Akagi. New trends in active filters for power conditioning. IEEE Trans. Industry Applications[J].1996(6).

8 徐永海，肖湘寧，劉 昊，等．混合型有源電力濾波器與并聯(lián)電容器組聯(lián)合補(bǔ)償技術(shù)研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2005(1)．

9 顏曉慶，楊 君，王兆安．并聯(lián)混合型電力有源濾波器的研究[J]．電力電子技術(shù)，1998(11)．

10 翟 茜，雷萬鈞，劉 濤，等．分次補(bǔ)償方式的并聯(lián)型混合電力濾波器研制[J]．電力系統(tǒng)自動化， 2006(5).

2013-05-15；

2013-07-02）