400V公用電網諧波治理實證研究

2013-07-17 12:10:38匡華

中國科技信息 2013年2期

匡華

云南電網公司曲靖供電局 655000

引言

隨著智能電網技術的發(fā)展，電能質量問題收到了越來越多的重視。目前不僅輸電網中的諧波問題受到了廣泛的關注，配電網中的大型、集中諧波源也受到了越來越多的重視。而與我們日常生活關系最緊密的400V電網中，數量巨大的小型非線性諧波源卻還沒能受到應有的重視。目前400V公用電網中的主要部分居民用電占用電總需求的12%，已經是不可忽視的部分，而美國目前是36%，這說明我國居民用電還有非常大的增長空間，從而使得400V公用電網的諧波治理具有現實意義和長期意義[1]。

從另外一個角度看，目前對400V公用電網的諧波危害和治理的研究國內還很少，在英國進行了相關類似的抽查分析，可以在這里作為參考。這個調查側重于分析由諧波電流、對地泄露電流和電壓擾動所造成的計算機停機方面的問題。隨機對45家在公共事業(yè)、商業(yè)和工業(yè)方面的用戶電氣工程師進行抽查，電能質量問題出現的頻率見表1[2]。

表1 電能質量問題出現的頻率[2]

從以上數據可知由于諧波造成公用電網停機事故的頻率很高，在所有3類用戶每年事故報告在12次以上的均在60%以上，而每年至少1次事故報告以上的均在80%以上。

因而對400V公用電網諧波的現狀和治理進行實證研究具有十分重要的意義。

1 測試點選擇和諧波分析

為了更準確掌握400V公用電網的諧波現狀，并使測量點能夠更好代表400V電網用戶的多樣性。云南省曲靖供電公司對其轄區(qū)內的4個居民小區(qū)配電間、1個商業(yè)用戶以及1個公共事業(yè)用戶進行了實際測量。

4個居民小區(qū)中，古城小區(qū)是一個相對較老的小區(qū)，居民電器的數量和種類都相對較少，變頻設備數量相對較少；陽光小區(qū)是曲靖較高級的小區(qū)，居民電器的數量和種類都比較多，變頻設備也比較多，由于配電間數量較多故選擇了兩個負荷率比較高的配電間進行測量；東興小區(qū)的情況則介于古城小區(qū)和陽光小區(qū)之間；匯寶酒店是集餐飲、住宿和KTV于一體的大型商業(yè)場所具有比較強的代表性；廣電局的負荷中既包含了一般辦公樓負荷如電腦、日光燈和大型空調，還包括了數據中心和演播大廳等特殊負荷極具代表性。具體測試數據見表2。

本文中的測試用戶均為居民用戶和商業(yè)用戶，測試點選擇在變壓器400V母線側。這些用戶的具有如下特點：

1）諧波源設備主要為家用電器；

2）諧波源設備使用的時段集中；

3）諧波源設備分散，數量眾多，單體諧波電流絕對值小。

表2 400公用電網用戶諧波實測數據

實際測試數據、電流趨勢圖和電流畸變率趨勢圖也體現出相應特點：

1）諧波電流以3次、5次、7次為主；

2）家用電器高級的用戶、變頻設備多的用戶諧波畸變率高；

3）電流畸變率波動很大，沒有規(guī)律可循；

4）諧波電流幅值波動很大，有一定規(guī)律；

5）諧波電流在用電高峰時段，也就是晚上6點至9點時及凌晨6點至早8點最高。而匯寶酒店和廣電局則分別在晚上8點～11點和辦公時間內諧波電流含量最高；

圖1 測試點電流趨勢圖

圖2 測試點電流畸變率圖

6）由于曲靖地區(qū)，氣候宜人，夏季并不炎熱，所以基本上沒有居民用戶安裝空調，否則的話諧波畸變率還可能更高。

2 諧波治理的手段

所謂電流諧波治理就是清除掉電網中非基波頻率的其他頻率的諧波，保持電網清潔。電流諧波治理的方法主要有兩種：其一是制造針對特定頻次諧波的低阻通道，使得特定頻次的諧波全部流過低阻通道，從而保持電網清潔；另一種就是制造與諧波頻率相同、幅值相同但是相位相反的波形，對電流進行跟蹤補償，時時刻刻的抵消諧波，保持電網清潔。

治理諧波的傳統手段LC濾波器，采用的就是第一種方法。LC濾波器也稱為無源濾波器，是由濾波電容器，電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯，除起濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。LC濾波器又分為單調諧波濾波器、高通濾波器及雙調諧濾波器等幾種，實際應用中常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置[3]。其原理為通過LC電路諧振原理，制造針對特定次數諧波的低阻通道，使得該次諧波通過此LC電路，從而達到濾波的目的。

以單調諧濾波器為例，濾波器對n次諧波（ωn=nωs）的阻抗為

式中，下標fn表示第n次單調諧濾波器。

應用L、C串聯諧振原理，當諧振次數n為

則

也就是此回路阻抗最小，所以n次諧波由此回路分流，而其他次諧波

所以分流也很少。從而無源濾波器達到了濾波的效果。

高通濾波器和雙調諧濾波器的工作原理基本和單調諧濾波器相同，區(qū)別在于高通濾波器主要和單調諧濾波器配合使用，用于濾除某一頻次以上的其他頻次諧波，而雙調諧濾波器則主要用于濾除兩個頻次的諧波，例如3次和5次諧波，但由于參數配置難度很大，所一般很少應用雙調諧濾波器。一般情況下無源濾波器配置為若干個單調諧濾波器和一個二階高通濾波器，如圖4所示。

無源濾波器的優(yōu)點很突出：結構簡單、造價低。

無源濾波器的缺點更突出：

第三步總分計算。在對圖書館15項指標全部計算后，相加得到總分。這時的總分并不是HAPLR分數，HAPLR分數=總分÷總權重29÷此類總館數[10]。對得到的HAPLR分數進行比較，得到公共圖書館的排名情況。

1）只能補償特定頻率的諧波電流，當負荷變化導致諧波電流成分變化時無法進行補償；

2）無源濾波器的補償特性受電網阻抗特性的影響，當系統阻抗變化時，濾波效果變差；

3）電網中接入新的諧波源時，可能導致無源濾波器過載，甚至設備損壞；

4）在特定頻率下，可能發(fā)生LC電路和電網阻抗間的并聯諧振，使得電網中的諧波源注入LC電路，導致濾波失效，甚至設備損壞。

對比無源濾波器的缺點，有源濾波器，即APF：Active Power Filter，具有更多的優(yōu)點。APF是基于瞬時無功功率理論研究發(fā)展而來。APF設備利用瞬時無功功率理論檢出負荷的當前時刻諧波成分，然后利用逆變技術發(fā)出需要補償的諧波電流；它相當于一個諧波發(fā)電機。

APF進行諧波補償的工作原理是設備的控制系統首先通過測量電路獲得接入點電壓、負荷電流、設備輸出電流、補償后的系統電流、直流電容器電壓等信號，利用測量所得信號檢出負荷電流的各次諧波分量等補償量，作為設備的輸出電流參考信號，進而控制系統的數字信號處理器根據電流參考信號計算得出對逆變器的PWM控制脈沖，并通過控制電路驅動逆變橋的電子開關器件（IGBT），從而輸出相應的諧波等補償量，實現補償功能。 APF設備工作的電路原理如圖5所示。

基于APF的工作原理，所以其具有如下優(yōu)點：

2）可以同時濾除多次及高次諧波；

3）不會引起并聯諧振，沒有影響電網穩(wěn)定運行的風險；

4）在濾波的同時兼顧無功補償，保證功率因數在0.95以上。

由于所選測量點的電流諧波分量變化劇烈，且毫無規(guī)律可循，可預測無源濾波器無法達到很好的濾波效果。且根據實際工程經驗，居民小區(qū)配電房常規(guī)配置的電容補償裝置經常由于諧振導致電容故障，甚至影響居民正常用電。故本項目選擇有源濾波器進行諧波治理。

在測量點的母線加裝相應容量的APF投入運行后，在加裝前進行測量的統一測試點進行了諧波數據的測試，得到數據如表3所示。