工廠企業配電網中諧波治理及相應技術措施的研究

盧洪亮

（江蘇中圣高科技產業有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

諧波是配電網中隱形的、最具危害力的殺手，尤其是隨著電力電子技術的發展和進步，工廠企業中電力電子換流裝置、電弧爐等設備逐漸引入，使得非線性電力負荷急劇增加，由此造成的諧波污染問題日趨嚴重。諧波的存在將引發供電電壓波形的畸變，降低電網生產、傳輸、供電的質量和效率，且配電網中諧波頻率與諧振頻率近似時，可能誘發并聯諧振、串聯諧振[1]，進而產生大幅度、寬范疇的過電壓、過電流問題，造成電壓互感器、電力變壓器、電動機等設備過熱，加速老化、縮短設備使用壽命，甚至出現爆炸、燒毀等事故，從根本上影響配電網的安全經濟運行?？梢?，深入探究諧波產生機理，采取有效措施進行治理與防控是降低諧波干擾與危害的關鍵所在，而電力電子換流裝置作為工廠企業配電網中最主要的諧波污染源，將其列為治理重點，利用變壓器將有源、無源電力濾波器串聯再與配電網并聯，形成新型的混合治理結構，并針對治理中存在的問題，進行技術優化，以獲得更好的諧波治理效果。

1 諧波的成因

目前關于諧波的概念，通說認為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數倍”[2]，因為諧波頻率遠遠高于基波頻率，又將其稱為高次諧波。正常狀態下，配電網中的電流和電壓均為正弦波，施加的電壓和經過的電流僅在含線性元件的簡單電路中成正比，在對配電網施加正弦基波電壓時，非線性設備所吸收的電流與施加的電壓之間存在差異，無法形成線性相關，非正弦波形的相位、頻率或幅值發生不同程度的偏移，也即波形畸變，進而導致諧波污染[3]。究其根源，諧波的關鍵成因在于非線性負載，尤其電力電子變壓器是引發諧波的關鍵因子，因其主要由特定的磁性材料構成，其磁性變化曲線呈現非線性特質，在特定運行條件下，該設備的鐵心將出現飽和問題，而且，基于經濟性的設計考量，工作磁密更傾向于選擇在電力變壓器的磁化曲線工作在近飽和區段上，各因素綜合作用下，磁化電流將呈現尖頂波形，由此便會產生諧波。

2 配電網中諧波治理方法

2.1 諧波治理措施

目前，最常采用的方法是通過增設無源電力濾波器或有源電力濾波器等諧波抑制裝置，來吸收諧波源中的諧波電流，以達到諧波治理的目的。有源濾波器可對頻率、大小動態變化的諧波進行補償[4-5]，且不受配電網頻率、阻抗的影響，效率高，補償性好，而鑒于工廠企業配電網的電壓等級高、電流大，需要進行高壓、大容量諧波補償，單獨使用有源濾波器，容量要求和制造成本太高，而混合使用兩種濾波器，可彌補各自缺點，但以往的并聯混合型有源電力濾波器結構中，注入有源電力濾波器的補償電流可能經由濾波通道流入無源電力濾波器，增加其負擔，也削減了諧波補償性，而串聯混合型有源電力濾波器結構中，無源濾波器無法濾除全波諧波，并由有源濾波器強制其存留其中，這勢必使得負載端產生諧波電壓，進而引發諧波電壓與諧波電流此消彼長的問題[6]。因此，可先將通過變壓器將有源、無緣兩種電流濾波器串聯，然后再并聯入配電網，由此構建的混合型有源電力濾波器結構如圖1所示，優于串聯混合型治理方案，由無源濾波器承載配電網大部分基波電壓，而有源濾波器則只分擔小部分，耦合變壓器只流經負載諧波電流和極少的基波電流，縮減了有源濾波器的容量。

圖1 混合型有源電力濾波器結構Fig.1 Structure of hybrid active power filter

2.2 諧波電流的檢測算法

有源電力濾波器作為諧波的動態補償裝置，其跟蹤、補償特性受諧波電流檢測效率、精準度的影響，而通過對比分析，ip,iq算法具有運算簡單、計算量小、功能靈活多變等優勢性，可將三相瞬時基波正序有功電流、基波正序無功電流、基波負序和高次諧波電流等快速的分離[7-8]，無需確定三相電路的瞬時電流、配電網電壓的頻率、幅值和初始相位信息，簡化了外部信號檢測電路，但該算法需要同時提取諧波、無功分量，增加了運算量、時延性，為此，可采用分頻檢測方法去除三相至兩相坐標變換及逆變換，對算法進行改進。在檢測單相電流時，設定電網單相瞬時負載電流為[9]：

上式中，ip為瞬時基波有功電流分量，iq為基波無功電流分量，ih是不同次諧波分量的和，In、Φn分別為n次諧波電流幅值、諧波相位，將上式兩邊均乘以2cosωt或2sinωt,分別得出[10]：

結合公式（2）、（3）可知，需要利用一個比基波頻率低的截止頻率低通濾波器，才可獲得ip、iq分量。

有源濾波器的逆變器直流側電壓應該保持恒定，提供一個電壓基準，才可以對諧波電流進行有效補償[11]，但是因為要對補償電流、負載諧波電流進行控制、跟蹤，其固有線路電阻、開關損耗、工作狀態切換均會引發功率損耗，進而導致直流側電壓波動或欠壓，為此，需要設定一個直流電壓反饋環節，來確保直流側電壓Udc的恒定，并將其與參考電壓Udc*的差值經由PI控制器，將其與ip合成，最終實現Udc的穩定。

逆變過程中，以合成的IP與cosωt相乘，可獲得瞬時基波有功電流分量：

結合上述分析，可獲得補償參考電流：

將iq運算通道斷開，此時可對諧波和無功功率進行同時檢測，而為了剔除畸變電壓的諧波成分，將運用PLL鎖相回路對A相配電網電壓ua進行跟蹤，可見，該檢測方法簡化了計算流程，可規避畸變電壓的影響，確保了諧波檢測的跟蹤準確性和諧波動態補償特性，其應用原理如圖2所示。

圖2 改進的ip、iq檢測算法原理Fig.2 Detection algorithm principle of improved ip、iq

3 結論

工廠企業配電網的拓撲復雜、負荷分散，傳統的諧波治理及檢測算法已經無法適應新要求，針對并聯、串聯混合結構的弊端性，根據有源濾波器高效率、動態補償特性，以及無源濾波器在高壓、大功率補償中的優勢，引入了一種新型混合結構的有源濾波器，并對ip、iq檢測算法進行優化，化解了三相四線制系統中零序諧波泄露的問題，提升了諧波檢測的跟蹤、檢測精度。