一種采用諧波分頻控制方法的并聯混合濾波器研究

趙婧初

（江蘇省徐州市擷秀中學，江蘇徐州，221000）

0 引言

隨著“十三五”電網規劃的提出，電網建設向智能化綠色電網迅速發展，大量可再生分布式電源如太陽能光伏發電、風力發電等以及先進儲能設備在電網的滲透率逐漸提高，電力電子變流器廣泛應用到直流輸電系統與靈活交流輸電系統中，使得現代電網智能化水平不斷提高[1]，但與此同時也帶來一些不可忽視的弊端。電力電子設備等非線性負荷在電力系統的不斷滲透，導致嚴重的諧波污染，嚴重威脅電網的安全穩定運行。因此，為了保障電網電能質量，順利推進綠色電網的建設步伐，電網對諧波抑制技術提出更高要求。傳統諧波抑制技術主要為無源電力濾波器（Passive Power Filter，PPF）和有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），這兩種裝置均具有各自的優點和缺點[2]。本文在此基礎上設計一種并聯混合型濾波裝置，采用諧波分頻控制方法對混合裝置有源和無源部分的濾波功能進行分配，使其能協調運行，結合有源與無源裝置優點。最后，在電力系統仿真軟件PSCAD中搭建仿真模型對所提裝置進行仿真驗證。

1 諧波對電網安全節能運行的影響分析

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量。電弧爐、變頻器、LED燈等非線性負載的使用是產生諧波的主要原因。諧波的存在對綠色電網的安全節能運行影響極為惡劣，主要體現在以下幾個方面：

（1）增加系統損耗。諧波電流流經用電器、線路以及變壓器等電氣設備時，會產生較多的附加損耗，大大增加了電力公司的運行成本和用戶的電費支出。

（2）降低系統可靠性。諧波電流會導致變壓器、電動機等設備局部過熱，絕緣老化加快，大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命，降低供電可靠性。嚴重時，還有可能導致電氣火災和用電中斷等嚴重后果。

（3）影響通訊。由于電磁感應原理，當信號線路與電網線路相距較近時，可能會形成電場和磁場耦合，諧波含量過大時可能會對通信線路產生聲頻干擾，導致信號正常傳輸受到影響。

2 傳統諧波抑制技術

2.1 無源濾波技術

無源濾波技術主要是指由電容、電感和電阻元件適當組合而形成的無源電力濾波器。無源濾波器的基本原理是對諧振頻率進行調節，使之與待濾除諧波的頻率相同，這樣通過分流作用將該頻率的諧波電流進行濾除。無源濾波器通常與諧波源并聯，能對特定頻次諧波濾除并且兼具無功補償作用，具有結構簡單、成本低、運行可靠等優點。

然而，由于無源濾波器具有固定的濾波頻率，所以只能對某一特定頻次的諧波進行濾除，濾波效果較為單一。此外，無源濾波器受系統運行情況影響明顯，對電網頻率和阻抗的變化敏感，可能會與電網阻抗產生諧振而導致諧波放大，造成一系列不良影響。

2.2 有源濾波技術

有源濾波技術是指能動態抑制諧波的有源電力濾波器，它在一定程度上彌補了傳統無源濾波技術的不足，能動態濾除大小和頻率均變化的諧波電流，是一種非常理想的濾波裝置。最基本的并聯型APF的工作原理圖如圖1所示。APF并聯在電網和諧波源之間，主要由指令運算電路與補償電流發生電路兩個模塊構成，其中，補償電流發生電路包括電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三個部分。在治理負載產生的諧波電流時，首先檢測負載電流iL的諧波分量，將檢測到的負載諧波電流iLh取反，作為APF補償電流的指令值，這樣電源電流is中便只有基波分量ifL，諧波電流得以濾除[3]。

這個過程用可用下式表示：

圖1 并聯型APF的工作原理圖

APF可以在小容量諧波的場合產生良好的濾波效果，但是當諧波容量較大時，對APF容量就會有較高要求，增加了裝置的成本和操作難度，經濟性較差。

3 采用諧波分頻控制的混合濾波器設計

針對有源電力濾波器和無源電力濾波器的固有優缺點，本文提出一種APF與PPF聯合運行的混合濾波裝置，該裝置能實現技術效果好，成本低的諧波抑制功能。

3.1 拓撲結構設計

電網中通常為了保障電能質量，通過在諧波源或者配電變壓器低壓側裝設無源裝置進行無功和特定頻次諧波補償，因此，為了合理利用現有設備，避免資源浪費，本文所提混合濾波裝置可以通過在原有無源裝置側并聯有源裝置，通過適當控制策略來實現。

如圖2所示為APF與PPF并聯運行的混合濾波器的電路拓撲圖。其中，混合濾波器并聯在諧波負載和電網之間，整個系統的主要頻次諧波電流由無源部分濾除，未能濾除的其他頻次諧波電流由有源部分濾除。該拓撲中，APF的補償電流所需較少，容量得以降低，減少了成本投入。

圖2 混合電力濾波器的電路拓撲結構

圖3 仿真系統圖

3.2 諧波分頻控制方法設計

新型濾波裝置的控制系統核心在于諧波的分配，由于APF在同頻率諧波下的等效阻抗小于PPF，因此APF采用傳統控制方法并聯到PPF旁，正常工作時由于低阻抗分流作用會導致PPF不能正常工作。因此需要將諧波電流進行分配，在APF的控制環節中將PPF所濾除諧波分量在APF指令電流中剔除。具體控制方法為：首先，檢測負載電流，提取電流基波分量。其次，用負載電流減去電流基波分量得負載電流諧波分量。最后，在所得諧波電流分量中，將無源部分濾除頻次諧波分量（iLp）剔除，作為有源部分補償電流的指令值。控制方法采用公式可以表示如下，其中is，iL，，ip分別表示電網側，負載側以及APF和PPF的電流。

4 仿真驗證

本文在PSCAD電磁暫態仿真軟件中搭建如圖3所示的仿真模型對所提控制方法進行仿真驗證，主電路由電源、諧波源、濾波裝置組成，其中諧波源為三相不可控整流電路，濾波裝置為APF和PPF并聯運行的混合濾波器，PPF設計為5次濾波器。

根據所提控制方法，APF補償電流的指令值可通過檢測負載電流再剔除基波和5次諧波分量得到，仿真中分別測量了補償前、僅無源設備補償、混合設備補償三種情況下的電網電流波形圖和各電流分量幅值圖，具體的仿真結果與分析如圖4所示。

圖4 電網電流波形和諧波含量圖

（1）補償前

圖4（a）所示為補償前電網側電流波形圖和各次分量幅值圖，從圖中可以看出電網電流波形畸變嚴重，經測量模塊測得此時5次諧波電流分量約為80A，電網側總電流諧波畸變率為17.43%。

（2）僅無源設備投入

圖4（b）所示為PPF投入后電網電流波形圖和分量幅值圖，從圖中可看出電流波形有所改善，經測量得此時5次諧波電流分量約為16A，總電流諧波畸變率為7.56%。從仿真結果可以看出雖然PPF投入具有一定的濾波效果，但仍不滿足低壓配電網總電流諧波畸變低于5%的國家標準。

（3）混合濾波器投入

如圖4（c）所示為APF和PPF并聯運行的混合濾波器投入后的電網電流波形圖和幅值分量圖。從圖中可以看出，電流波形相對于圖4（a）來說有較為明顯的改善，基本上各次諧波都被濾除干凈，經測得此時總電流諧波畸變率為3.53%，滿足低壓配電網電流諧波畸變率低于5%的國家標準。此外，混合裝置中有源部分和無源部分協調運行良好，PPF的正常工作沒有受到APF工作的影響，所以本文所提諧波分頻控制方法的正確性與適用性得到了驗證。

5 結論

本文分析了諧波對電網安全節能運行的影響，總結了無源電力濾波器和有源電力濾波器的工作原理和運行優缺點，針對傳統濾波技術的缺點，提出并設計一種采用諧波分頻控制方法的并聯混合濾波器，并基于PSCAD仿真軟件進行仿真驗證，可得結論如下：

（1）本文所提的并聯混合電力濾波器諧波抑制效果良好，滿足國家標準對配電網諧波電流畸變率低于5%的要求，可靠性高；

（2）通過采用諧波分頻控制方法對混合濾波器進行控制，有效解決了有源部分和無源部分協調運行時的諧波分配問題，降低了有源部分容量，提高了經濟效益。