基于Matlab的府谷電廠空冷島諧波治理

袁帥，馬杰，韓德順，孫樹敏，王士柏

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟南250001；2.國網(wǎng)山東省電力科學(xué)電力研究院，濟南250003）

·電網(wǎng)技術(shù)·

基于Matlab的府谷電廠空冷島諧波治理

袁帥1，馬杰1，韓德順1，孫樹敏2，王士柏2

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟南250001；2.國網(wǎng)山東省電力科學(xué)電力研究院，濟南250003）

論述對空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)諧波治理的意義及方法，研究對變頻器諧波的治理方法，系統(tǒng)介紹有源濾波裝置的主要工作原理。針對陜西府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)提出裝設(shè)濾波補償裝置的治理方案，主要包括有源濾波器裝置和混合型有源濾波器裝置等。通過搭建模型，進行Matlab仿真分析，仿真結(jié)果表明所提供的諧波治理方案具有良好的消諧濾波效果。

諧波治理；變頻器；有源濾波裝置；Matlab仿真

0 引言

電力電子器件是電力電子裝置的核心。近些年來，各種新型功率器件，如IGCT、IGET、ETO等紛紛出現(xiàn)，許多變頻器公司生產(chǎn)了不同拓撲結(jié)構(gòu)的變頻器，在一定程度上解決了高壓、大功率的問題，但設(shè)備運行中產(chǎn)生的諧波問題并沒有得到很好的解決。在選擇變頻器時，為了減小諧波對電網(wǎng)和電機及其負載的負面影響，要求變頻器整流側(cè)、逆變側(cè)的總諧波畸變率要低，且各次諧波含量要盡可能少[1]。

陜西府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)自運行以來，發(fā)生了變壓器和電動機損壞事故，經(jīng)測試研究發(fā)現(xiàn)，引起此類事故的主要原因是諧波污染嚴重影響了設(shè)備的正常工作，而諧波的主要來源是變頻器和網(wǎng)側(cè)。為此，應(yīng)及時治理諧波，降低諧波對變壓器和電動機等設(shè)備的損害，減少財產(chǎn)損失，確保空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)安全運行。

1 諧波危害

產(chǎn)生諧波的設(shè)備主要是變頻器，而變頻器諧波是輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）逆變過程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波。變頻器諧波是一個周期量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，變頻器諧波的幅值大小和諧波相對于基波的相位關(guān)系都是影響這個周期量的重要因素。通俗地說，基波頻率是50 Hz，那么諧波就是頻率為100 Hz，150 Hz，200 Hz，…，N×50 Hz的正弦波［2］。

諧波效應(yīng)的危害主要有：引起諧振和諧波電流放大；諧波電流在電網(wǎng)上流動會產(chǎn)生有功功率損耗；引起旋轉(zhuǎn)電機和變壓器附加損耗和過熱，產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓。

諧波對于府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)主要的危害是造成變壓器和風(fēng)機的損毀事故，從而影響生產(chǎn)并造成相當大的經(jīng)濟損失。

2 主要諧波源治理原理

諧波治理諧波主要有3種方法：一是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波；二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1；三是在市電網(wǎng)絡(luò)中采用適當?shù)拇胧﹣硪种浦C波。針對府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，采取第一種方法，即在變頻器側(cè)裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波并對風(fēng)機輸入側(cè)尖峰電壓進行吸收的方式，更經(jīng)濟可行和易于實施。

2.1 變頻器輸入側(cè)諧波治理方法

變頻器輸入側(cè)諧波治理的具體方法包括：1）采用無源濾波器，既可補償諧波，又可補償無功功率，且結(jié)構(gòu)簡單、成本相對低廉。但是其只能對特定次諧波進行濾波，由于高次諧波的范圍較大，需設(shè)置多個無源濾波支路，從而導(dǎo)致裝置體積過大、損耗增加，并且無源濾波器的濾波效果受系統(tǒng)運行情況和外界環(huán)境的影響較大。2）采用有源濾波器，既可動態(tài)濾除各次諧波，又不會產(chǎn)生諧振。該濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)電抗的影響。用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整數(shù)倍次的諧波電流。

雖然有源濾波器相比無源濾波器造價更高，但是基于穩(wěn)定性和補償精度，對府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，主要采用有源濾波裝置及吸收尖峰電壓的輔助方式［3］。

2.2 有源濾波裝置

有源濾波裝置，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備［4］。

如圖1所示為最基本的電力有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。電力有源濾波器系統(tǒng)由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩部分組成。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路3個部分構(gòu)成。主電路目前均采用PWM變流器。

圖1 APF系統(tǒng)后果構(gòu)成原理

有源濾波器通過檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流［5］。

如果要求電力有源濾波器在補償諧波的同時補償負載的無功，則只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流的基波無功分量反極性的成分即可。

圖2 單獨使用的并聯(lián)型電力有源濾波器

單獨使用的并聯(lián)型電力有源濾波器如圖2所示。圖中，指令電流運算電路是根據(jù)電力有源濾波器的補償目的得出補償電流的指令信號，核心是諧波和無功電路實時監(jiān)測方法。電流跟蹤控制電路是根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個器件通斷的PWM信號，控制的結(jié)果應(yīng)保證補償電流跟蹤其指令信號的變化。目前跟蹤型PWM控制主要有瞬時值比較和三角波比較兩種方式。

3 府谷電廠諧波治理方案與仿真研究

根據(jù)府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)存在的諧波污染實際情況，提出對應(yīng)治理方案，并進行仿真研究，通過數(shù)據(jù)和圖像來客觀反映各方案的治理效果［6］。

3.1 加裝有源濾波裝置仿真分析

建立仿真模型如圖3所示［7］。

圖3 加裝有源濾波裝置仿真模型

加裝有源濾波裝置前的400 V PC母線A相電流波形如圖4所示。

圖4 加裝有源濾波裝置前的400 V PC母線A相電流波形

加裝有源濾波裝置后的400V PC母線A相電流波形如圖5所示。

加裝有源濾波裝置前后實效對比數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 加裝有源濾波裝置后的400 V PC母線A相電流波形

表1 加裝有源濾波裝置前后實效數(shù)據(jù)對比

3.2 加裝混合型有源濾波裝置仿真分析

建立仿真模型如圖6所示。

圖6 加裝混合型有源濾波裝置仿真模型

加裝混合型有源濾波裝置前的400 V PC母線三相電流波形如圖7所示。

圖7 加裝混合型有源濾波裝置前的400 V PC母線三相電流波形

加裝混合型有源濾波裝置后的400 V PC母線三相電流波形如圖8所示。

加裝混合型有源濾波裝置前后實效對比數(shù)據(jù)如表2。

圖8 加裝混合型有源濾波裝置后的400 V PC母線三相電流波形

表2 加裝混合型有源濾波裝置前后實效數(shù)據(jù)對比

4 應(yīng)用實例

府谷電廠在加裝有源濾波裝置（APF）后，前后工況對比明顯，以1號機組空冷島配電室A1主變壓器為例，投入前后的電流、電壓畸變率及諧波電流實測數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 濾波器投入前后諧波電流實測數(shù)據(jù)對比

由表3可知，在濾波器投入前后，電流畸變率由47.8%降低為8.4%，電壓畸變率由5.1%降低為1.6%，系統(tǒng)的電流及電壓質(zhì)量得到明顯改善。

5 結(jié)語

研究了變頻器的諧波治理方法，并系統(tǒng)介紹了有源濾波裝置的基本原理，針對府谷電廠空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，提出了具體的治理方案。通過Matlab仿真系統(tǒng)進行了系統(tǒng)仿真，通過仿真數(shù)據(jù)和圖形很直觀地證明了本次諧波治理的有效性。對府谷電廠空冷島風(fēng)機系統(tǒng)諧波治理，采用混合有源濾波裝置并對變頻器輸出的尖峰電壓進行吸收的綜合治理方案。APF投入后，各次諧波都得到了有效的抑制，電壓畸變率也大幅降低，系統(tǒng)的電流及電壓質(zhì)量得到明顯改善。所述諧波治理方法對空冷島風(fēng)機冷卻系統(tǒng)中的變壓器和風(fēng)機保護起到積極作用，可達到減少事故發(fā)生概率的預(yù)期目標。

［1］吳競昌.電力系統(tǒng)諧波［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［2］宋文南，劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析［M］.北京：中國電力出版社，1988.

［3］翁利民，張啟春，舒立平，等.配電網(wǎng)高次諧波抑制方法的分析［J］.電力自動化設(shè)備，2000，20（3）：22-25.

［4］王群，姚為正，劉進軍，等.諧波源與有源電力濾波器的補償特性［J］.中國電機工程學(xué)報，2001，21（2）：16-20.

［5］陳繼承，錢照明，呂征宇.大容量并聯(lián)混合電力有源濾波器設(shè)計［J］.中國電機工程學(xué)報，2001，21（S1）：225-228.

［6］曾尚催，沈華，俞振利.基于MATLAB系統(tǒng)的信號FFT頻譜分析與顯示［J］.科技通報，2000，16（4）：241-246.

［7］洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Air Cooling Island Harmonic Control in Fugu Power Plant Based on Matlab

YUAN Shuai1，MA Jie1，HAN Deshun1，SUN Shumin2，WANG Shibo2
（1.Shandong State Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The significance and method of the harmonic control of the air cooling island fan cooling system are discussed，inverter harmonic management methods are researched，and the main working principle of active power filter is introduced systematically.Aimed at the air cooling island fan cooling system of Shanxi Fugu power plant，management solutions of installing filter compensation devices have been put forward，which include active filter and hybrid active power filter devices，etc.By means of models building and Matlab simulation analysis，simulation results show that the proposed harmonic control schemes have good effects of harmonic elimination and filtering.

harmonic control；inverter；APF；Matlab simulation

TM761

A

1007－9904（2016）012－0001－04

2016-07-02

袁帥（1983），女，博士，工程師，從事新能源調(diào)度運行管理及新能源并網(wǎng)技術(shù)研究。