有源電力濾波器在改善電能質量中的研究

陳 德/ 鐘志強 /何 鋒

(1. 廣東電網公司湛江供電局, 廣東 湛江 524005; 2. 深圳市海思瑞科電氣技術有限公司, 廣東 深圳 518101)

1 引言

隨著我國科學技術、社會經濟的快速發展，用電需求不斷提升，電能在工業生產與日常生活中扮演著日益重要的角色，人們對電能質量的要求也越來越高。理想公用電網提供的電壓應是一固定頻率和幅值的正弦波，而在實際電網中，由于非線性因素導致了諧波電流和諧波電壓的出現，影響電能的正常使用。

如何進一步提高電能質量、有效地抑制電網中的諧波已引起廣泛關注。許多專家和學者一直在研究和開發動態可調裝置來解決電能質量問題，其中具有代表意義的是有源電力濾波器。從目前國內外的情況來看，利用有源電力濾波器進行諧波治理，提高電能質量是今后的一個發展趨勢。

2 有源電力濾波器簡析

2.1 應用背景

諧波被公認為是公用電網的主要污染源，以往主要通過無源濾波裝置進行治理。雖然無源濾波結構簡單、可靠性高、容量大、成本低，但受限于濾波原理，傳統濾波器不僅體積大、損耗大，只能消除特定次諧波，濾波效果受電網影響較大，還存在發生諧振的隱患。

伴隨大功率電力電子開關器件的出現，瞬時無功理論體系的提出以及數字信號處理和控制技術的不斷成熟，極大地促進了有源濾波的發展和應用。隨著濾波效果的不斷提升，有源濾波器成為治理諧波污染、提升電網電能質量的有效途徑和重要趨勢。

2.2 工作原理及分類

有源電力濾波器由電流跟蹤控制電路、指令電流運算電路、驅動電路和主電路構成，其基本工作原理是通過檢測補償對象的諧波電流，產生與之大小相等而相位相反的電流，注入電網，從而達到實時補償諧波電流的目的。隨著有源電力濾波器的廣泛應用，APF的種類也越來越多。在工程實踐中，按接入電網方式的不同，有源濾波器可分為并聯型、串聯型和混合型。

并聯型可看作受控電流源與負荷并聯，適用于補償電流型諧波源。串聯型可看作以電壓源的方式補償電網中存在的暫態或穩態電壓畸變，適用于補償電壓型諧波源。結合PF硬件構成容易實現、價格低廉以及APF補償能力較為全面等優點，形成了混合型APF裝置，可以達到理想的補償效果。

3 電力有源濾波器工程運用

3.1 常見諧波源分析

諧波不僅可按諧波次數分為奇次諧波和偶次諧波，也可以按照諧波來源不同進行區分。要提高電能質量，進行諧波治理，就必須對諧波源有充分的認識，了解諧波源的特點，有針對性地治理，才能取得效果。電網中諧波源大概可以分為三類：含有變壓器等鐵磁非線性諧波源、電弧爐等非線性沖擊性負載、各種電力電子變換器。不同行業諧波源也不同，需要區別對待分別治理，及時發現及時治理，以減少諧波危害帶來的損失。各行業諧波源簡析表如圖1所示。

圖1 各行業諧波源簡析表

3.2 諧波分類治理

諧波治理方案的選擇應用涉及到諸多因素，常規項目可以根據使用的電能質量分析儀直接檢測諧波電流。而對于新建項目，電氣設計人員在設計階段并不能獲取足夠的電氣設備諧波數據，必須通過實踐積累來判斷。

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1)集中治理

適用于負載類型比較多的配電系統，非線性負載數量龐大、分散，并且單臺非線性負載諧波含量較小。集中治理目前應用廣泛，在母線上進行集中治理只可以保證公共電網的質量，諧波對企業內部電網的危害根本沒有得到改善。

式中，S為變壓器額定容量；U為變壓器二次額定電壓；I為諧波；THDi為總畸變率；K為負荷率。

2)就地補償

適用于單點諧波含量較大，且分布較為分散的配電系統。考慮到各諧波測試點比較分散，諧波電流畸變率都很大，采用就地補償的方案比較合適。就地治理不僅可以保證公共電網的質量，也能滿足企業內部對電能質量的要求。

其諧波電流計算公式為：

4 電力有源濾波器工程治理分析

某大劇院項目中，因受到舞臺燈光、舞臺機械控制驅動系統等大量非線性負荷的諧波污染，大大降低了配電系統的供電電能質量，造成視頻音響設備大量失真和舞臺機械驅動及控制設備加速老化，嚴重影響舞臺機械設備的使用安全，給大劇院低壓配電系統帶來巨大的危害及安全隱患。

4.1 電能質量諧波檢測

項目共設六個測試點，位于負荷斷路器的上口，諧波檢測示意圖如圖2所示，測試數據如表1所示，諧波治理前波形、頻譜圖如圖3所示。從測量數據可以看出，每個測試點的電流畸變率都非常高，三次諧波很大，嚴重的電流畸變會對劇院配電系統產生嚴重的影響，導致中線電流很大，可能會造成安全隱患，需要通過有效的諧波治理使整個系統工作在安全、穩定的環境中。其中，歌舞廳舞臺燈光(1#)、舞臺機械(3#)諧波污染最為嚴重，下文將著重描述。

表1 劇院項目諧波治理前后數據對比

4.1.1 舞臺燈光諧波分析

大量的燈光設備損壞及調光設備的失控，無法保證演出效果。

4.1.2 舞臺機械諧波分析

在舞臺機械的電能質量測試中，其電流畸變率達到了73%，電流波形與標準的正弦波相差很大。經測試，諧波電流以3、5、7次為主。現場的三次諧波比較嚴重，導致中線電流較大，達到了120.5A。諧波會造成舞臺機械驅動及控制設備的加速老化，嚴重時還會直接導致設備失控或燒毀，嚴重影響舞臺機械設備的使用安全，并且大量增加了舞臺機械日常維護的工作量，影響演出效果。

4.2 治理方案

根據電能質量的檢測數據和分析，以及測試結果的不同，選擇不同容量大小的有源濾波器，但設計采用有源濾波器時仍需留有一定裕量。考慮到各諧波測試點比較分散，諧波電流畸變率都很大，采用就地補償的方案比較合適。

表2 劇院項目諧波治理前后數據對比

經過設備安裝后的設備聯調及單獨適配調整，在試運行階段進行了全部運行數據的采集。諧波治理前后數據對比如表2所示。采集到的數據結果表明，在有源濾波裝置投入運行后，系統電能質量大幅提升，有源濾波裝置運行正常，效果良好，達到了預期的補償效果。

將諧波治理前后的舞臺燈光的波形、頻譜圖對比可以發現(諧波治理后波形、頻譜圖如圖4所示)，在波形圖中電壓和電流波形的畸變明顯減少，接近標準正弦波。而在頻譜圖中，系統中主要的5次和7次諧波含量明顯減小，高次諧波基本都得到了消除。

4.3 治理效益

在采用有源濾波器對諧波污染進行治理后，首先可以使配電系統得到的效益包括：

1)減少諧波含量，避免系統電路可能會發生的并聯諧振而引起的燒毀，保證設備的正常運行；

2)減少線路的銅損以及中線電流線路損耗，提高線路帶載能力、功率因數和供電質量；

3)減少控制設備和繼電保護裝置誤動作或拒動作，提高供電的安全和可靠性；

4)減小變壓器的附加損耗，降低噪聲，提升變壓器和配電線纜的帶載能力。

綜上，在系統嚴重的諧波污染得到治理后，系統整體運行效率將會得到提升，舞臺燈光、機械設備的穩定運行也可以得到有力的保障，因此諧波治理對該劇院的效益十分巨大。

6 結束語

諧波是電能質量的核心問題之一，諧波治理是現代電力生產發展的迫切需要。有源電力濾波器成為治理諧波的有效工具，也是解決目前我國電能質量污染日益嚴重的有效措施。隨著我國電力事業的發展，對電能質量的要求將不斷提高，有源電力濾波器憑借巨大的技術優勢和強大的功能最終必將得到廣泛應用，通過APF進行電能質量治理有著巨大的市場潛力。

圖3 劇院項目諧波治理前波形、頻譜圖

圖4 劇院項目諧波治理后波形、頻譜圖

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