APF抑制電力諧波的策略分析

周 靜，王雅靜，劉 斌，胡 珊

(天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津300300)

APF抑制電力諧波的策略分析

周 靜，王雅靜，劉 斌，胡 珊

(天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津300300)

隨著用電系統(tǒng)中非線性負(fù)載和沖擊性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴(yán)重，究其原因，在于其本身的非線性使電網(wǎng)電壓和電流不再為正弦波，而是畸變?yōu)楹懈鞔沃C波的電壓和電流。通過分析電力諧波的危害性，闡述了有源電力濾波器對諧波的抑制策略，從而得出APF是改善供電質(zhì)量的有效裝置的結(jié)論。

電力諧波 有源電力濾波器(APF) 諧波抑制策略

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波問題變得越來越突出，究其原因在于其本身的非線性使電網(wǎng)電壓和電流不再為正弦波，而是畸變?yōu)楹懈鞔沃C波的電壓和電流。諧波電壓和電流的出現(xiàn)，嚴(yán)重危害了公用電網(wǎng)及其系統(tǒng)的正常工作，也影響著人們的生活安全。

1 電力諧波的危害性

諧波產(chǎn)生的根本原因在于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性(正比)關(guān)系而造成的波形畸變。當(dāng)電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備及負(fù)荷供電時，這些設(shè)備或負(fù)荷在傳遞(如變壓器)、變換(如交直流轉(zhuǎn)換器)、吸收(如電弧爐)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所供給的基波能量的同時，又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向系統(tǒng)倒送大量的諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形畸變，造成電能質(zhì)量降低。

例如，在住宅小區(qū)供電中，3次諧波過大容易引發(fā)火災(zāi)、降低配電系統(tǒng)的安全等級、影響變壓器正常工作、影響線路設(shè)備安全供電、縮短家用電器的使用壽命、影響通訊系統(tǒng)的正常工作、導(dǎo)致電力計量誤差、損壞電力電容器。每個家庭中的電器都是3、5次諧波的主要諧波源，雖然單個電器的容量不大，但匯聚到小區(qū)干線上就會導(dǎo)致疊加的諧波電流，其危害是不容忽視的。

又如，大型商業(yè)綜合體的電能質(zhì)量也隨著開業(yè)運(yùn)行后商家用電設(shè)備的增加和改造而越來越低。電能質(zhì)量下降的主要原因在于諧波污染，而諧波污染的主要來源為熒光燈具、氣體放電燈、各種功率的電動機(jī)、電腦設(shè)備等。隨著商業(yè)綜合體用電量的增加，各個變壓器的負(fù)載率開始提高，各種諧波污染源迅速增多。同時，低壓電容補(bǔ)償柜隨著使用年限的增加，開始出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，少數(shù)已經(jīng)失效，而諧波污染更加劇了電容的老化。這些問題最終導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

再如，在地鐵等公共軌道交通中，諧波對供電系統(tǒng)的危害也是不容忽視的。諧波會對無功補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生干擾、降低功率甚至引起誤跳閘、誘發(fā)諧振，使無功補(bǔ)償電容器過熱甚至擊穿，以及造成繼電保護(hù)裝置誤動作、影響電能計量等一系列危害。此外，因?yàn)榈罔F負(fù)荷靠近城市中心負(fù)荷，諧波注入電網(wǎng)會對鄰近民用電網(wǎng)造成很大的干擾，也會對鄰近的通信系統(tǒng)造成干擾，最重要的是如果對地鐵控制中心的運(yùn)營信號造成誤差和延遲影響，就會導(dǎo)致電梯故障、停電、報警失靈乃至生命安全等一系列無法估量的損失。

電力諧波無處不在，會給人們的生活和生產(chǎn)安全帶來隱患。因此，治理電力系統(tǒng)污染，減少和消除電網(wǎng)的諧波危害，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及可靠性，保證供電質(zhì)量，已成為電力系統(tǒng)迫切需要解決的問題。

2 APF抑制諧波的機(jī)理

電力系統(tǒng)諧波抑制是改善電能質(zhì)量、凈化電網(wǎng)的一個重要手段。目前，抑制諧波的主要途徑是利用LC 濾波器和有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)對諧波電流分別提供頻域諧波補(bǔ)償和時域諧波補(bǔ)償，通常濾除諧波可達(dá)到95%以上，補(bǔ)償無功細(xì)致。

APF是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速數(shù)字信號處理器(DSP)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(見圖1)。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速DSP對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。

圖1 APF基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of APF

3 APF抑制諧波的實(shí)際策略與應(yīng)用

APF的關(guān)鍵技術(shù)之一就是逆變器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其電流控制方法主要有三角載波線性控制、滯環(huán)比較控制、單周控制、變結(jié)構(gòu)控制、無差拍控制等。這幾種APF控制策略各有特點(diǎn)：在電壓矢量基礎(chǔ)上實(shí)行滯環(huán)電流控制可在同樣的控制精度下有效降低開關(guān)頻率，減小APF的開關(guān)損耗；單周控制在1個周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，具有反應(yīng)快、抗電源干擾、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的控制方法；變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性；無差拍控制是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)。

在APF的實(shí)際應(yīng)用中，諧波治理不僅涉及到220,kV、110,kV、66,kV、35,kV、10,kV、6.3,kV等多個電壓等級的高壓配電系統(tǒng)的整體治理，還延伸到380,V、220,V、110,V的低壓局部針對性精確治理，甚至需要進(jìn)行設(shè)備控制單元和精密儀器設(shè)備的諧波干擾隔離保護(hù)，因此一般采用綜合負(fù)載通用APF來有效地抑制諧波影響。這樣的有源濾波器裝置有著模塊化系統(tǒng)，能夠?yàn)V除2～25次各諧波功能，針對存在較多綜合負(fù)載的系統(tǒng)，能夠同時滿足低通、高通、帶通、帶阻等多種濾波形式，自動跟蹤補(bǔ)償電網(wǎng)中變化的諧波電流，具備高度可控性和快速響應(yīng)性，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率波動影響，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。基于先進(jìn)的抑制算法，能夠在100,μs時間內(nèi)計算出下一個開關(guān)頻率的輸出，故而響應(yīng)速度不超過100,μs，對于變化較為頻繁的諧波能夠?qū)嵭锌焖俚难a(bǔ)償。

此外，可以同時治理配電網(wǎng)中多種常見的電能質(zhì)量問題，如電流諧波、三相不平衡、電壓閃變和功率因數(shù)超標(biāo)等，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量，確保用戶設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，降低能耗、提高效率。

4 結(jié) 語

APF可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中。根據(jù)應(yīng)用對象不同，APF的應(yīng)用可起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長設(shè)備壽命、減少設(shè)備損壞等作用。同時，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合有源電力濾波器的諧波檢測、抑制方法以及諧波抑制方法策略的應(yīng)用，以物聯(lián)網(wǎng)云計算為基礎(chǔ)的智能云控新技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備本身參數(shù)設(shè)定、復(fù)位重啟、故障預(yù)警與多重提示等的智能管控，還可以對所在變壓器系統(tǒng)進(jìn)行諧波與能耗數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程云端分析控制和智能化運(yùn)行管理等。由此可知，APF在抑制諧波方面的應(yīng)用將迎來新的解決策略。

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Strategy Analysis of Power Harmonic Restrain by APF

ZHOU Jing，WANG Yajing，LIU Bin，HU Shan
(Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China)

With a wide application of nonlinear load and impact load in power system，the harmonic problem in power system becomes more and more serious.This is because the nonlinearity makes the distortion of harmonic containing voltage and current of the grid instead of a sine wave.Through analyzing the harm of electric power harmonic to people，this paper expounds the application of suppression strategy by active power filter(APF) on harmonic，and draws a conclusion that it is an effective device to improve power quality.

harmonic；active power filter(APF)；harmonic suppression strategy

TM81

：A

：1006-8945(2016)04-0046-02

2016-03-05