電力系統(tǒng)諧波研究與治理

摘要：文章論述了諧波產(chǎn)生的原因、危害及諧波的檢測(cè)方法、抑制方法等。諧波主要檢測(cè)方法可以分為三種：基于FFT的數(shù)字化分析法、提取基波分量法和自適應(yīng)檢測(cè)法。對(duì)基于瞬時(shí)無功功率的三相電路諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行研究，提出在控制策略上采用直接電流PWM策略進(jìn)行電流型變流器的DC-AC變換，能有效提高供電系統(tǒng)在控制上的靈活性。

關(guān)鍵詞：電力諧波；檢測(cè)方法；抑制方法；有源電力濾波器；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM711 文章編號(hào)：1009-2374（2016）07-0124-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.063

1 概述

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的日益發(fā)展，非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染，如配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路等。而且，現(xiàn)代復(fù)雜、精密的電氣設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求。但是在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，不可避免地存在諧波，對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生諸多不利影響。目前對(duì)電網(wǎng)諧波主要的抑制措施是通過有源電力濾波器，對(duì)不同大小和不同頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，使得各次諧波和無功有效分離，可抵消負(fù)載中的相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)諧波的研究表明，諧波對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）諧波可能會(huì)引起諧振，使得諧波畸變進(jìn)一步放大；（2）諧波可能通過在變電網(wǎng)中產(chǎn)生附加諧波損耗而引起用戶電氣設(shè)備故障；（3）在變壓器位置，諧波電流會(huì)引起變壓器固件發(fā)熱，會(huì)使固件局部過熱，固件運(yùn)行噪聲增大，甚至引起變電器設(shè)備故障，影響供電網(wǎng)供電可靠度；（4）在供電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波，會(huì)對(duì)電力電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，可能會(huì)引發(fā)電力電子設(shè)備無法正常運(yùn)行而造成重大事故。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波的抑制方法主要可以概括為兩種途徑，其核心都是考慮從源頭控制，以供電系統(tǒng)的電力電子設(shè)備等裝置為出發(fā)點(diǎn)，從源頭減小諧波的產(chǎn)生。目前這兩種途徑可簡(jiǎn)單改為主動(dòng)型和被動(dòng)型。其中主動(dòng)型是通過在裝置中設(shè)置不產(chǎn)生諧波的變流器，從而減小諧波的產(chǎn)生，而被動(dòng)型則是通過在供電系統(tǒng)中外加裝置如濾波器或有源濾波裝置等，吸收系統(tǒng)在供電過程中產(chǎn)生的諧波，從而降低諧波。因而在既有運(yùn)行的供電系統(tǒng)中，只有通過添加外加裝置才能實(shí)現(xiàn)諧波的有效控制。由于被動(dòng)型諧波控制措施具有操作性更強(qiáng)、可靠性程度更高等優(yōu)點(diǎn)，目前在各大電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

2 有源濾波器

2.1 有源濾波器概述

諧波抑制手段主要有無源濾波和有源濾波兩種。目前最常見無源濾波器的波器結(jié)構(gòu)是將電容器和電感器串聯(lián)而成，對(duì)其所調(diào)諧的諧波起一個(gè)低阻抗“陷阱”的作用。由于無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率較高和成本降低等諸多優(yōu)點(diǎn)，至今仍然廣泛地應(yīng)用到諧波治理領(lǐng)域中。有源濾波器（Active Power Filter，簡(jiǎn)稱APF）相對(duì)于無源LC濾波器，通過將檢測(cè)出的負(fù)載電流進(jìn)行各次諧波和無功的分離，產(chǎn)生與其檢測(cè)輸出的畸變電流相位相反的電流，并快速智能控制電流大小和頻率，在補(bǔ)償諧波的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電流的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。因而有源濾波器與無源濾波器相比，雖然構(gòu)造復(fù)雜、建設(shè)成本高，但是其系統(tǒng)具有可靠程度高、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有更廣闊的利用空間。

2.2 諧波源類型

目前對(duì)諧波源的研究認(rèn)為，諧波源可以分為兩種類型：電流型諧波源、電壓型諧波源。其中電流型諧波源具有電流源的特性，產(chǎn)生諧波大小只與系統(tǒng)本身特性相關(guān)，而與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)。電壓型諧波源具有電壓源的特性，系統(tǒng)以電壓源的方式在變電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波。目前電壓源諧波已成為變電網(wǎng)中主要的諧波來源。

3 諧波電流的檢測(cè)方法

諧波電流的檢測(cè)精度和檢測(cè)方法直接影響到有源濾波器的濾波補(bǔ)償效果，因而對(duì)相關(guān)檢測(cè)方法的研究是影響有源濾波器濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波電流的檢測(cè)方法主要為基于瞬時(shí)無功理論檢測(cè)法、基于有功分離（理想傳輸量）的諧波檢測(cè)方法、頻率分析法（基于傅立葉變換）、自適應(yīng)檢測(cè)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)方法、基于小波分析的諧波檢測(cè)方法、帶通濾波器或帶阻濾波器檢測(cè)法（模擬濾波器）和基于現(xiàn)代控制理論的檢測(cè)方法等多種方法。在眾多檢測(cè)方法中，由日本學(xué)者H.Akagi最先提出的基于瞬時(shí)無功理論檢測(cè)法因其對(duì)于檢測(cè)三項(xiàng)電路諧波值的檢測(cè)效果實(shí)時(shí)性好，且不受電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)荷影響等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外工程中應(yīng)用較為廣泛，取得了良好的工程應(yīng)用效果，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此方法研究最為深入。

4 有源電力濾波器常用控制策略

目前有源電力濾波常用控制方法主要為APF控制方法和直接電流PWM控制方法兩種。

4.1 APF的控制方法

本系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是變流器的DC-AC轉(zhuǎn)換，即如何將變流器直流側(cè)的SMES線圈電流轉(zhuǎn)換為所需的交流電流輸出。目前國(guó)內(nèi)外存在多種DC-AC控制策略，如三角載波線形控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制和脈寬調(diào)制（PWM）、bangbang控制等。每種控制策略都具有各自的適用環(huán)境和使用對(duì)象，具有差異性的優(yōu)缺點(diǎn)，目前最常用的DC-AC控制策略是PWM技術(shù)。

4.2 直接電流PWM控制方法

PWM控制是通過對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路的模擬控制，使電路輸出端可得到依幅值相等而寬度不相等的脈沖，并按一定規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到對(duì)輸入電壓和輸入頻率調(diào)控的目的。PWM控制包括多種控制方法，本文闡述的是其中的一種——電流型空間矢量PWM法。本系統(tǒng)補(bǔ)償電流的AC-DC轉(zhuǎn)換采用的控制方法是直接電流PWM控制方法，該方法以瞬時(shí)電流為控制目標(biāo)，通過脈沖來控制變流器輸出的電流從而補(bǔ)償各種電能質(zhì)量環(huán)節(jié)。在實(shí)際的許多應(yīng)用中，如對(duì)非線性負(fù)載供電的UPS、有源濾波和不對(duì)稱負(fù)載補(bǔ)償?shù)惹闆r下，需要對(duì)儲(chǔ)能裝置的輸出電流進(jìn)行瞬時(shí)控制，此時(shí)電流波形不再是正弦波。在這些情況下，采用PWM控制方法能更有效地達(dá)到對(duì)輸入電壓和輸入頻率調(diào)控的目的。

5 有源濾波器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

有源濾波器在配電網(wǎng)中既可以補(bǔ)償無功，也可以補(bǔ)償諧波，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)、提高電能質(zhì)量，減少損耗，提高系統(tǒng)的輸送能力，從而使系統(tǒng)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。本文采用MATLAB對(duì)以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)的無功補(bǔ)償器進(jìn)行了仿真研究。仿真采用的典型系統(tǒng)模型如圖1所示：

負(fù)載電阻R=10Ω，負(fù)載電感=0.01H，逆變器交流側(cè)的濾波電感=200μH，逆變器交流側(cè)的濾波電容C=100μF，逆變器交流側(cè)的濾波電感的串聯(lián)電阻=1.0Ω，逆變器直流側(cè)的儲(chǔ)能電感的直流電流=30A。

5.1 當(dāng)系統(tǒng)不裝設(shè)補(bǔ)償裝置時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)考慮不設(shè)補(bǔ)償裝置時(shí)，電源測(cè)電壓與電源測(cè)電流波形仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示：

由于負(fù)載電流和電源電壓幅值相差較大，為便于相位比較，把電流幅值乘以5放大顯示。從圖2可以看出，由于負(fù)載是典型的感性負(fù)載，所以電源電壓與負(fù)載電流兩波形在相位上存在明顯的偏差，系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。

5.2 當(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)補(bǔ)償裝置時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)假設(shè)系統(tǒng)裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置時(shí)，電源測(cè)電壓與電源測(cè)電流波形仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由于電源電流和電源電壓幅值相差較大，為便于比較，把電流幅值乘以5。從圖2可以看出，由于必然存在的感性負(fù)載，使得電源電壓和負(fù)載電流間存在這一定程度的相位差，功率因數(shù)較低。通過圖2和圖5計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可以看出，當(dāng)在系統(tǒng)中設(shè)置補(bǔ)償裝置時(shí)，通過補(bǔ)償裝置進(jìn)行的瞬時(shí)無功補(bǔ)償，使得系統(tǒng)電源測(cè)基本無需提供無功功率，供電系統(tǒng)負(fù)荷測(cè)需要的無功功率可由逆變器提供，使得圖5中電源測(cè)電壓和電源測(cè)電流波形相位基本一致，功率因素明顯增大。由上可以看出，基于瞬時(shí)無功功率理論的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，能有效地提供系統(tǒng)負(fù)載需要的無功功率，能有效地保持電源測(cè)電壓和電源測(cè)電流相位變化的一致性，顯著提高功率因素。

6 結(jié)語

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的日益發(fā)展，非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染，如配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路等。但是在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，不可避免地存在諧波，對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生諸多不利影響，因此對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效的補(bǔ)償成為一個(gè)重要研究課題。目前諧波主要的檢測(cè)方法可以分為三種：基于FFT的數(shù)字化分析法、提取基波分量法和自適應(yīng)檢測(cè)法等。目前對(duì)電網(wǎng)諧波主要的抑制措施是采用有源電力濾波器法。本文通過對(duì)有無設(shè)置有源濾波器補(bǔ)償裝置的配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)比仿真分析，仿真結(jié)果表明：基于瞬時(shí)無功功率理論的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，能有效地提供系統(tǒng)負(fù)載需要的無功功率，保持電源測(cè)電壓和電源測(cè)電流相位變化的一致性，顯著提高功率因素。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：趙洪濤（1969-），男，河北滄州人，滄州供電公司渤海新區(qū)供電分公司南大港供電分局工程師，研究方向：綜合技術(shù)。

（責(zé)任編輯：小 燕）