電力系統諧波問題及基于混合并聯結構的治理方案

翟義德

（銅川供電局，陜西 銅川 727031）

電力系統諧波問題及基于混合并聯結構的治理方案

翟義德

（銅川供電局，陜西 銅川 727031）

供電系統中非線性負荷的大量使用，對輸配電帶來越來越嚴重的負面影響。列舉了電力系統中諧波產生的原因，分析了諧波對電力系統的危害，最后給出了結合無源阻抗調諧原理和有源電力電子變流技術的混合并聯結構諧波治理方案。

諧波；無源濾波；有源濾波；混合濾波

近年來，各種電力電子裝置在電力系統、傳統工業、交通運輸和家電行業的廣泛應用，極大地推進了現代工業文明的發展。但同時，電力電子裝置運行時會消耗大量無功功率并產生諧波電流，嚴重污染了電網環境且日趨嚴重，已引起人們對它的廣泛重視。

1 電力系統諧波的成因與危害

在電力系統中，交流電壓和交流電流理想狀態應成正弦波形。但當正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就變為非正弦波，非正弦電流在電網阻抗上產生壓降，會使電壓波形也變成非正弦波。如圖1所示，用戶負載為三相二極管整流器。這樣，連接在同一點的其他設備上就被施加了含有諧波成分的非正弦電壓。

圖1 配網中諧波電流傳導干擾方式

在電力電子裝置大量應用之前，各種傳統非線性設備主要包括電力變壓器、旋轉電機、電弧爐以及熒光燈管等。隨著各種整流器、逆變器、斬波器、開關電源以及不間斷電源等的大量使用，目前電力電子設備已經成為電力系統中首要的諧波源。

諧波會使公用電網中的設備產生附加諧波損耗，降低電網、輸電及用電設備使用效率，增加電網線損。額外的熱效應會引起用電設備發熱，使絕緣老化，降低設備使用壽命。諧波可能使電網與補償電容器之間發生并聯或串聯諧振。諧波也會引起一些保護設備誤動作，會導致電氣測量儀表計量不準確，同時還會對附近的通信系統產生干擾。

2 電力系統諧波的治理方案

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，國內外業界提出多種技術方案。按照其采用的電路結構可以分為：無源濾波器、有源電力濾波器和混合電力濾波器三大類。

2.1 無源濾波技術

在電力系統中裝設無源濾波器(passive power filter)一直是補償無功、抑制諧波的主要手段。這種裝置由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，具有多種結構，被補償負載并聯連接。它除了可濾除一定的諧波之外，還可進行無功功率補償。

無源濾波器具有結構簡單、容易實現、便于維護、既可補償諧波又可補償無功等優點，但其本身也存在如下缺陷：濾波器的工作原理是調諧原理，因此對電網頻率和網絡阻抗的變化十分敏感，濾波效果不易保證；濾波器可能會和電網阻抗發生并聯諧振，將諧波電流放大，從而導致系統不能正常工作。由于電網中諧波的頻率范圍通常較寬，因此一般要設置多個無源濾波器。

2.2 有源濾波技術

有源電力濾波器(active power filter)是一種用于動態抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置。它的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，再由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。

有源電力濾波器可對頻率和大小都在變化的諧波以及無功電流進行補償，受電網阻抗的影響很小，不易和電網阻抗發生諧振。在我國，有源電力濾波器雖已進入實際工業現場，但現階段有源電力濾波器成本還比較高，且受制于電力電子器件的電壓等級，較難直接應用于中高壓大容量的工業現場。

2.3 混合濾波技術

混合濾波器(hybrid power filter)技術是將無源濾波器和有源濾波器有機組合起來，其基本思想是用無源濾波器實現無功補償功能并分擔大部分的濾波功能，用有源電力濾波器來改善無源部分的濾波性能并抑制潛在的諧振現象。

混合濾波技術既有有源濾波器的優異性能，又可以顯著減小有源變流器容量和整體系統的安裝成本，且適合于應用在高電壓等級的工業現場，因此成為實際應用的研究熱點。由有源電力濾波器和無源濾波器構成的混合型電力濾波器有多種拓撲關系，其具體結構形式主要包括：LC諧振注入電路方式；并聯有源電力濾波器與無源濾波器兩者并聯后再并聯接入電網；并聯有源電力濾波器與無源濾波器兩者串聯后再并聯接入電網；串聯有源電力濾波器和無源濾波器混合使用等。其中前3種混合結構為并聯電力濾波器，最后1種為串聯電力濾波器。

3 混合并聯結構諧波治理方案研究

并聯有源電力濾波器和并聯無源濾波器直接并聯結合而成的混合型電力濾波器方案如圖2所示。在這種電路中，無源濾波器包括多組單調諧濾波器及高通濾波器，承擔了較低頻段的大部分濾波功能；有源電力濾波器的作用是濾除較高頻段的諧波電流，并改善整個系統的性能，其所需的容量與單獨使用方式相比可大幅度降低。與單獨使用的并聯型有源電力濾波器相比，兩者有不少相似之處。

圖2 混合并聯結構濾波器原理

但使用這種裝置時，在有源電力濾波器與無源濾波器之間存在諧波通道，有可能使有源電力濾波器注入的諧波又流入到無源濾波器及系統中。從理論上講，只要使用LC濾波器，就存在與電網阻抗發生諧振的可能，因此在有源電力濾波器與LC濾波器并聯使用方式中，需對有源電力濾波器進行有效的控制，抑制可能發生的諧振。

4 應用案例

某小型鋼鐵廠使用中頻爐熔化廢鋼料，由于中頻爐工作時會產生大量無功和諧波電流，降低了用戶供電變壓器流入電流的功率因數和電流畸變率。未投運中頻爐負載時的供電電壓波形和供電變壓器電流如圖3所示。可以看到，此時基本沒有電流，電網波形正常。

圖3 負載未投運時網壓與供電電流波形

中頻爐負載投運后的網壓與供電電流波形如圖4所示。可以看到，此時負荷向電網中注入大量無功和諧波電流。其中電流諧波成分包含有以50 Hz為基波頻率的低次諧波，也包含中頻爐工作時內部諧振頻率上的高次諧波。

圖4 負載投運后網壓與供電電流波形

安裝混合并聯結構的濾波器可對負荷產生的低次諧波進行治理，同時補償功率因數。補償后的網壓與供電電流如圖5所示。補償前、后流入電網電流的頻譜圖如圖6所示。

圖5 補償后網壓與供電電流波形

圖6 補償前、后供電電流頻譜圖

從波形圖中可以看出，補償后供電電流基本與網壓同相位，無功電流得到很好補償。同時電流中的低次諧波成分得到很好濾除。頻譜分析表明，供電電流的總諧波畸變率由25 %降低為7 %。負荷所引起的電能質量問題得到有效治理。

5 結語

隨著非線性負荷的日益增多，電網諧波污染給輸配電系統帶來的負面影響越來越嚴重，已引起了供用雙方的廣泛關注。對于諧波污染問題，除了通過改造非線性負載特性之外，增設無源、有源濾波裝置是主要的解決方式，有源濾波技術因其諸多優點而成為發展方向。

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2013-05-15；

2013-07-02）