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、危害及諧波的檢測方法、抑制方法等。諧波主要檢測方法可以分為三種：基于FFT的數(shù)字化分析法、提取基波分量法和自適應(yīng)檢測法。對基于瞬時無功功率的三相電路諧波電流檢測方法進行研究，提出在控制策略上采用直接電流PWM策略進行電流型變流器的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；檢測方法；抑制方法；有源電力濾波器；電力系統(tǒng) 文獻標識碼：A

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

1 概述

隨著我國電網(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，對供電質(zhì)量造成嚴重污染，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。目前對電網(wǎng)諧波主要的抑制措施是通過有源電力濾波器，對不同大小和不同頻率的諧波進行快速跟蹤補償，使得各次諧波和無功有效分離，可抵消負載中的相應(yīng)電流，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對諧波的研究表明，諧波對電網(wǎng)系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）諧波可能會引起諧振，使得諧波畸變進一步放大；（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，諧波電流會引起變壓器固件發(fā)熱，會使固件局部過熱，固件運行噪聲增大，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，會對電力電子設(shè)備產(chǎn)生嚴重干擾，可能會引發(fā)電力電子設(shè)備無法正常運行而造成重大事故。目前，國內(nèi)外對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，從源頭減小諧波的產(chǎn)生。目前這兩種途徑可簡單改為主動型和被動型。其中主動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。因而在既有運行的供電系統(tǒng)中，只有通過添加外加裝置才能實現(xiàn)諧波的有效控制。由于被動型諧波控制措施具有操作性更強、可靠性程度更高等優(yōu)點，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，對其所調(diào)諧的諧波起一個低阻抗“陷阱”的作用。由于無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行效率較高和成本降低等諸多優(yōu)點，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，簡稱APF）相對于無源LC濾波器，通過將檢測出的負載電流進行各次諧波和無功的分離，產(chǎn)生與其檢測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，在補償諧波的同時也實現(xiàn)了電流的動態(tài)跟蹤補償。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、運行效率高等諸多優(yōu)點，具有更廣闊的利用空間。

2.2 諧波源類型

目前對諧波源的研究認為，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 諧波電流的檢測方法

諧波電流的檢測精度和檢測方法直接影響到有源濾波器的濾波補償效果，因而對相關(guān)檢測方法的研究是影響有源濾波器濾波補償系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外對諧波電流的檢測方法主要為基于瞬時無功理論檢測法、基于有功分離（理想傳輸量）的諧波檢測方法、頻率分析法（基于傅立葉變換）、自適應(yīng)檢測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法、基于小波分析的諧波檢測方法、帶通濾波器或帶阻濾波器檢測法（模擬濾波器）和基于現(xiàn)代控制理論的檢測方法等多種方法。在眾多檢測方法中，由日本學(xué)者H.Akagi最先提出的基于瞬時無功理論檢測法因其對于檢測三項電路諧波值的檢測效果實時性好，且不受電網(wǎng)參數(shù)和負荷影響等優(yōu)點，在國內(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，目前國內(nèi)外對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)境和使用對象，具有差異性的優(yōu)缺點，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控制是通過對模擬信號電平進行數(shù)字編碼，實現(xiàn)對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)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，達到對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，該方法以瞬時電流為控制目標，通過脈沖來控制變流器輸出的電流從而補償各種電能質(zhì)量環(huán)節(jié)。在實際的許多應(yīng)用中，如對非線性負載供電的UPS、有源濾波和不對稱負載補償?shù)惹闆r下，需要對儲能裝置的輸出電流進行瞬時控制，此時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到對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)中既可以補償無功，也可以補償諧波，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)運行于經(jīng)濟運行狀態(tài)。本文采用MATLAB對以瞬時功率理論為基礎(chǔ)的無功補償器進行了仿真研究。仿真采用的典型系統(tǒng)模型如圖1所示：

負載電阻R=10Ω，負載電感=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)的儲能電感的直流電流=30A。

5.1 當系統(tǒng)不裝設(shè)補償裝置時的仿真計算結(jié)果分析

當系統(tǒng)考慮不設(shè)補償裝置時，電源測電壓與電源測電流波形仿真計算結(jié)果如圖2所示：

由于負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，由于負載是典型的感性負載，所以電源電壓與負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 當系統(tǒng)裝設(shè)補償裝置時的仿真計算結(jié)果分析

當假設(shè)系統(tǒng)裝設(shè)諧波補償裝置時，電源測電壓與電源測電流波形仿真計算結(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載，使得電源電壓和負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計算結(jié)果的對比可以看出，當在系統(tǒng)中設(shè)置補償裝置時，通過補償裝置進行的瞬時無功補償，使得系統(tǒng)電源測基本無需提供無功功率，供電系統(tǒng)負荷測需要的無功功率可由逆變器提供，使得圖5中電源測電壓和電源測電流波形相位基本一致，功率因素明顯增大。由上可以看出，基于瞬時無功功率理論的動態(tài)無功補償裝置，能有效地提供系統(tǒng)負載需要的無功功率，能有效地保持電源測電壓和電源測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，對供電質(zhì)量造成嚴重污染，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，因此對電網(wǎng)諧波進行有效的補償成為一個重要研究課題。目前諧波主要的檢測方法可以分為三種：基于FFT的數(shù)字化分析法、提取基波分量法和自適應(yīng)檢測法等。目前對電網(wǎng)諧波主要的抑制措施是采用有源電力濾波器法。本文通過對有無設(shè)置有源濾波器補償裝置的配電網(wǎng)系統(tǒng)對比仿真分析，仿真結(jié)果表明：基于瞬時無功功率理論的動態(tài)無功補償裝置，能有效地提供系統(tǒng)負載需要的無功功率，保持電源測電壓和電源測電流相位變化的一致性，顯著提高功率因素。

參考文獻

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作者簡介：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)。

（責任編輯：小 燕）