配电网谐波治理方法的研究

【分类号】：TM615；TM711

【摘 要】针对大型变电站以及厂矿企业配电网等在滤除谐波的同时进行无功功率补偿的工程要求，开发应用大功率混合有源滤波器进行谐波治理，动态地补偿无功和谐波抑制以提高电能质量成为配电网谐波治理方面研究的重要课题。

【关键词】谐波；检测；混合型滤波器；有源滤波器；无源滤波器

1、前言：随着工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，相应的各种非线性和时变性电子装置得以广泛应用，带来了配电网中电流和电压波形的严重失真，从而取代了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为最主要的谐波源，其负面效应是电能质量的下降，同时严重影响着供、用电设备的安全经济运行，使供电和用电企业造成了巨大的经济损失，应用现代技术对谐波进行经济、有效地补偿是目前急待解决的重要问题之一。消除谐波的方法是加装滤波装置，而有源电力滤波器由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点，有源电力滤波器作为抑制电网谐波、补偿供电系统无功功率的新型电力电子装置得到快速发展，其中并联型有源电力滤波器的使用最为广泛。本课题通过开发应用大功率混合有源滤波器在大型铝型材厂的配电网谐波治理中的应用，动态的补偿无功和谐波抑制来提高电能质量。

2、本论文研究的主要内容：鉴于有源电力滤波器在电网谐波抑制中如此重要的地位，人们对有源电力滤波器的研究也越来越深入，新的研究方法和研究理论不断涌现。本论文针对配电网中谐波源的特征，构建了一种基于电压检测的混合型有源电力滤波器。该混合方案既可以使无源滤波器的滤波效果更为显著，又能极大地节省有源部分的容量。

3、谐波治理方法介绍：目前谐波治理的基本方法有以下三种：（1）减小非线性用电设备与电源间的电气距离。通过减少系统阻抗来提高供电电压等级。（2）隔离谐波。非线性用电设备产生的谐波，不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器的传变影响到上级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网，这也是谐波治理的一个基本思路。这一思路在电网中广泛采用，发电机发出的电能经过Y/、Y0/、Y0/Y等接线组别的变压器，把发电机产生的三次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来，因此在110kV以上高压电网上，三次谐波分量很小，几乎是零。35kV也有少量Y/Y0接线的直配变，因此在35kV系统中三次谐波分量会比高压电网大。（3）安装滤波器。目前对配电侧和用户侧谐波治理的方法，大多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，这是谐波治理的发展方向。现阶段由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，而且成本很高，因此在现阶段不可能大量推广应用。无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。

4、混合型电力滤波器的选择

混合型主要指电力有源滤波器与交流无源滤波器的各种组合， 根据混合的方式不同可分为串-并型混合和并-并型这两种混合型是基于经济上的考虑， 其目的是综合两种滤波器的优点， 让无源LC 滤波器承担基波无功和低次谐波的静态功率， APF 主要用来补偿基波无功和低此谐波的动态功率以及高次谐波，这样可大大降低APF 的容量， 从而降低了整套滤波装置的成本， 达到治理效果与经济的统一。

4.1连接方式

混合型电力滤波器视其中有源滤波器和无源滤波器的连接方式及其与电网的连接方式不同而具有多种拓扑方式。常见的主要有：有源电力滤波器和无源电力滤波器同时与电网并联方式、有源电力滤波器和无源电力滤波器串联后再与电网并联方式、有源电力滤波器与电网串联而无源电力滤波器与电网串联方式等。

4.2电路结构

第一种方式中有源电力滤波器与无源电力滤波器之间存在谐波通道，故影响了整体的滤波特性；第三种方式则适用于直流侧并联大电容时的负载；考虑到晶闸管直流调速系统属于直流侧串联大电感带反电动势的谐波源负载，故此处宜采用第二种方式，即有源电力滤波器与无缘电力滤波器串联后再与电网并联的方式。由此构成的混合型有源电力滤波器电路如图示。

4.3滤波原理

混合型有源电力滤波器的检测控制部分硬件主要由以下几部分组成：（1）电流电压采样电路；（2）带通滤波器；（3）过零比较中断发生部分；（4）DSP计算控制器。将由电流电压采样电路采集得到的信号输入带通滤波器以滤除检测电流电压时出现的噪声和畸变。带通滤波器的中心频率设置在50Hz，它是AF系统在公共连接点处存在电压扰动（畸变、开关纹波和频率漂移等）时仍能正常工作所必需的。带通滤波器的输出分为两路，一路经A/D转换后送入数字信号处理器DSP进行FFT分析，然后存储到一片公用的RAM中，再分析计算控制对象的谐波和无功情况并产生控制信号；另一路则送入过零比较中断发生电路，该电路用来每间隔60°产生一个中断信号。因此，在公共连接点电压的一个周期内将有六个间隔60°的一个脉冲序列从该电路输入到DSP系统作为中断信号。每来一个中断，公共连接点处的电压电流就被检测一次，这样就满足了控制系统实时性的要求。DSP（采用内含PWM产生电路的TMS320F2812）的输出控制TSF和APF的动作。

5、总结：混合型有源电力滤波器由无源滤波器和有源滤波器通过不同的连接方式构成。根据配电网谐波源特征，我们选择了适用的混合型电力滤波器拓扑方式，而针对其中的有源滤波器部分设计了基于电压检测的谐波电流获取方法，并由此构造了电路模型。经仿真实验分析，我们证明该方案具有优良的谐波抑制特性，该设计思路和方法是正确可行的。

参考文献

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[3] 陈国柱，吕征宇，钱照明. 典型工业电网谐波及其混合有源滤波抑制. 电网技术，2000，24（5）：59-63.