諧波治理技術(shù)應(yīng)用研究

許 冬，董曉利

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 市政工程院，河南 鄭州 450007；2.北京曼邦斯科技有限公司 銷售部，北京 100027)

理想交流三相電力系統(tǒng)的電壓頻率恒定，電壓水平穩(wěn)定，波形呈正弦形，而各相的電壓和電流應(yīng)分別處于幅值相等、相位差為120°的完全對(duì)稱狀態(tài)。然而，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，這種理想狀態(tài)并不存在，究其原因，主要是在供配電系統(tǒng)中，各類電氣元件的實(shí)際波形并不完全是線性的，而且系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)受制于各類負(fù)荷的差異，并受不完善的調(diào)控方法等因素干擾。電能質(zhì)量正是反映電力系統(tǒng)理想程度的指標(biāo)。電能質(zhì)量一般由電壓質(zhì)量來(lái)衡量。它包括電壓幅值、頻率和波形的質(zhì)量。根據(jù)理想的電能質(zhì)量要求，交流三相電力系統(tǒng)應(yīng)具有恒定頻率、恒定幅值的正弦電壓，且能向用戶連續(xù)供電。電能質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題可能對(duì)用戶尤其是敏感用戶造成巨大損失。

由于電能質(zhì)量不完全取決于發(fā)電端性能，而主要是由諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度等用戶負(fù)荷干擾造成的，而且，電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)是隨著空間和時(shí)間的變化而動(dòng)態(tài)變化的；因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，采取適當(dāng)措施來(lái)消除或盡可能降低用戶負(fù)荷變化對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)供電企業(yè)通常是采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)保障配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，提升其安全性能的。選擇有效的低壓配電網(wǎng)諧波抑制措施，對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有著十分重要的意義[1]。本文擬結(jié)合具有代表性的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)保證電能質(zhì)量的技術(shù)措施進(jìn)行研究。

1 諧 波

在電能質(zhì)量受到的多種干擾因素中，諧波影響是最為普遍的。當(dāng)前，電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷正在快速增長(zhǎng)，非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波使電網(wǎng)諧波含量不斷提高，導(dǎo)致電壓、電流的波形發(fā)生畸變，進(jìn)而使電網(wǎng)的電能質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，相關(guān)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響[2]。常見的非線性負(fù)荷包括接入電力系統(tǒng)的半導(dǎo)體整流器、逆變器、變頻器，各種半導(dǎo)體調(diào)壓、調(diào)相、調(diào)頻裝置，大型醫(yī)療設(shè)備，電力牽引機(jī)車，電弧爐，感應(yīng)電爐，氣體放電燈，以及用半導(dǎo)體元件制成的各種家用電器等[3]。電力系統(tǒng)中能產(chǎn)生非線性負(fù)荷的設(shè)備稱為諧波源。

在自動(dòng)化生產(chǎn)和大中型公共建筑的電力系統(tǒng)中，為滿足控制和節(jié)能要求，電力設(shè)備的變頻控制方式被廣泛采用，而變頻器就是一種常見的諧波源。變頻器一般為交流—直流—交流結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部主電路由整流和逆變兩大部分組成。變頻器工作時(shí)，外部輸入 380 V/50 Hz的工頻電源三相交流電，首先由三相橋路整流成直流電壓，然后經(jīng)電容濾波及晶體管開關(guān)元件逆變，成為電壓和頻率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，它可分解為基波和諧波。諧波通常為6n±1次的高次諧波，其含量將會(huì)影響電網(wǎng)電源側(cè)的電能質(zhì)量。

諧波按照來(lái)源的不同可分為電網(wǎng)側(cè)諧波和用戶側(cè)諧波。電網(wǎng)側(cè)諧波一般為低頻諧波，通常是40次以下的諧波，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生危害，導(dǎo)致電網(wǎng)供電效率下降、電容發(fā)熱甚至燒毀等嚴(yán)重后果[4]。用戶側(cè)諧波一般為高頻諧波，通常是40次以上的諧波，會(huì)損害用電設(shè)備，使其出現(xiàn)死機(jī)、效率低下、耗電增大、壽命下降等問(wèn)題。

對(duì)于系統(tǒng)容量小且諧波波動(dòng)大的配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，諧波產(chǎn)生的干擾不可忽視[5]。在電力系統(tǒng)中，各種諧波源產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成污染而影響整個(gè)電氣環(huán)境(包括電力系統(tǒng)本身和數(shù)量眾多的用戶設(shè)備)。因此，無(wú)論從保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還是從保證用電設(shè)備的正常工作來(lái)看，對(duì)諧波污染加以限制都是非常必要的。實(shí)踐中，對(duì)非線性負(fù)荷采取措施(如裝設(shè)濾波器等)，可將諧波限制在規(guī)定值以下。

2 有源濾波

隨著大功率可關(guān)斷電子器件技術(shù)的不斷成熟，有源濾波器(Active Power Filter,APF)的用量越來(lái)越大。有源濾波器是一種基于電流檢測(cè)和電流注入技術(shù)的大功率電力電子裝置。它通常被并聯(lián)在電網(wǎng)和非線性負(fù)荷之間，能通過(guò)外部電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流波形(一般負(fù)載電流上含有大量的諧波成分)，并采用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)來(lái)提取負(fù)載電流的諧波成分，將所輸出的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸送給內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器，使逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，注入電網(wǎng)[6]，從而使流入電網(wǎng)的電流為純凈的正弦電流，實(shí)現(xiàn)濾波器濾除(抵消)諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功與電壓波動(dòng)、抑制諧振、提高功率因數(shù)等功能，達(dá)到提高供電系統(tǒng)安全性、節(jié)能降耗的目的[7]。

有源濾波的原理如圖1所示。有源濾波的流程如下：首先，斷路器合閘，合閘后，有源濾波電路通過(guò)預(yù)充電電阻對(duì)直流母線的電容進(jìn)行充電，在母線電壓達(dá)到額定值后，預(yù)充電接觸器閉合；然后，直流電容在IGBT逆變器和內(nèi)部電抗器向外輸出補(bǔ)償電流的同時(shí)為它們提供能量，并通過(guò)電源變換器向控制與檢測(cè)系統(tǒng)提供工作電源。

圖1 有源濾波原理圖

3 諧波治理效果檢驗(yàn)

為了客觀準(zhǔn)確地反映諧波治理效果，本文選取某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中兩臺(tái)運(yùn)行在未滿載情況下的變頻器所配套的有源濾波器，進(jìn)行諧波治理效果檢驗(yàn)。檢驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際生產(chǎn)狀況完全一致。諧波治理效果檢驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 諧波治理效果檢驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)布置

諧波治理效果檢驗(yàn)所用 Fluke 435-Ⅱ型三相電能質(zhì)量分析儀的技術(shù)性能符合IEC 61000-4-30 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該型電能質(zhì)量分析儀采用PowerLog 3.0軟件，以事件波形捕獲(如電壓暫降、瞬變等)方式進(jìn)行電參數(shù)波形檢測(cè)。其基本PQ(Power Query)功能為:V/A/Hz、功率、暫降、暫升、諧波、不平衡；高級(jí)PQ功能為:閃變、瞬變、控制信號(hào)電壓；行業(yè)安全等級(jí)為:600 V CAT Ⅳ/1 000 V CAT Ⅲ。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將電能質(zhì)量分析儀的輸入、輸出端子分別與受測(cè)線路的進(jìn)、出線側(cè)連接，通過(guò)操作分析儀相關(guān)功能選擇按鈕，使分析儀顯示器上直觀準(zhǔn)確地顯示電力系統(tǒng)在不同時(shí)刻的實(shí)時(shí)頻率、電流畸變率、諧波含量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3、圖4分別為所檢測(cè)1#和2#變頻器在有源濾波器運(yùn)行前后的電流畸變率和5次諧波含量。

(a) APF運(yùn)行前的電流畸變率

(b) APF運(yùn)行后的電流畸變率

(c) APF運(yùn)行前的5次諧波含量

(d) APF運(yùn)行后的5次諧波含量圖3 1#有源濾波器運(yùn)行前后的電流畸變率和5次諧波含量

(a) APF運(yùn)行前的電流畸變率

(b) APF運(yùn)行后的電流畸變率

(c) APF運(yùn)行前的5次諧波含量

(d) APF運(yùn)行后的5次諧波含量圖4 2#有源濾波器運(yùn)行前后的電流畸變率和5次諧波含量

4 諧波治理效果分析

本文用三相電能質(zhì)量分析儀精確檢測(cè)后，對(duì)兩臺(tái)變頻器配套的有源濾波器運(yùn)行前后的電力系統(tǒng)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與計(jì)算。諧波治理前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 諧波治理前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

分析圖3-圖4和表1，并對(duì)有源濾波器運(yùn)行前后的電力系統(tǒng)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知：在不同的運(yùn)行頻率下，兩臺(tái)變頻器在諧波治理后的諧波畸變率均降到了6%左右；采用有源濾波器后，諧波治理效果均達(dá)到了92%左右；5次諧波含量的治理效果均達(dá)到了97%以上；其余高次諧波含量均顯著下降，甚至基本消除。

分析可知：在含有變頻器等非線性負(fù)荷的電力系統(tǒng)中，采用APF對(duì)電能質(zhì)量的改善效果是十分顯著的；APF能快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的電壓突變，抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，有效發(fā)揮抑制電流畸變的作用，達(dá)到治理諧波的目的[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)含有不同規(guī)模非線性負(fù)荷的電力系統(tǒng)，采用相應(yīng)有源濾波器對(duì)諧波進(jìn)行治理，有效地降低了電力系統(tǒng)中的高次諧波分量，使系統(tǒng)電流畸變的程度大為降低。這有利于凈化電網(wǎng)環(huán)境，提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)及用戶端設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，減少系統(tǒng)的電能損耗，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在未來(lái)將得到協(xié)調(diào)發(fā)展。工程中采用模塊化有源濾波器成套設(shè)備，可進(jìn)一步降低項(xiàng)目成本。諧波治理技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有效地提高供電質(zhì)量和用電效率，降低線路損耗，延長(zhǎng)逆變器、變頻器等電氣元件和設(shè)備的使用壽命。