供電系統諧波研究、分析與APF應用

劉克程何瑞敏郭博（.神華準池鐵路有限責任公司，山西朔州 06800；.神華神東煤炭集團，陜西榆林 795；.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院，內蒙古呼和浩特 0000）

供電系統諧波研究、分析與APF應用

劉克程1何瑞敏2郭博3
（1.神華準池鐵路有限責任公司，山西朔州 036800；2.神華神東煤炭集團，陜西榆林 719315；3.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院，內蒙古呼和浩特 010020）

本文簡單敘述了高次諧波對電能質量的影響及對設備造成的危害，闡述了國家標準對10kV系統諧波的要求及計算方法，并以某礦區10kV系統實測數據進行說明。針對電力系統中高次諧波配置有源電力濾波器（APF），可以消除諧波并補償無功，文中對APF的工作原理、優點進行了簡單介紹，對現階段研究APF控制方式的情況及發展趨勢作了說明。

諧波 有源濾波器 供電系統

伴隨電力電子技術的飛速發展， 各種新型電力電子設備廣泛被使用。新型電力電子產品改善著人們的生活中質量，提高著企業的生產效率。但由于這些設備的非線性和多樣性特點， 產生大量的諧波并注入電網， 導致電網的供電質量下降，可能造成居民、企業用電設備的異常甚至損壞。

針對非線性負荷對電網和設備的危害日益嚴重，有源電力濾波器（APF）作為一種理想的諧波裝置，能夠對頻率和幅值均發生變化的諧波進行消除，有源電力濾波設備優于傳統無源濾波器，并在未來與智能控制結合的路上越來越遠。

1　高次諧波危害

隨著科學技術的發展，越來越多非線性電氣產品在生活、生產中應用，如節能燈、變頻器、整流器等。這些非線性電氣產品給人們的生產、生活帶來便利的同時，也給電力系統帶來嚴重諧波污染問題，大量高次諧波會引起電壓畸變，導致電機發熱、設備損壞等問題，對生活、生產用電造成很大隱患。其主要表現有：

（1）高次諧波使電氣設備如電機、電纜、變壓器等產生附件的諧波損耗，降低設備的使用效率，使絕緣線路過熱甚至發生火災。（2）高次諧波可以影響各種用電設備的正常運行，引起設備機械振動、噪音和過電壓，嚴重甚至損壞設備。（3）高次諧波會與電容器、高壓電纜的對地電容之間產生并聯諧振，使諧波放大，導致電力系統事故。（4）高次諧波可能會導致通訊系統失靈、繼電保護和自動裝置的誤動作，還可能會使電氣測量儀表測量失真。

表1　諧波電壓限值

表2　注入公共連接點的諧波電流允許值

表3　hK系數取值

表4　一部膠帶機出線（平均值）

表5　大巷排水Ⅰ出線（平均值）

2　10kV系統高次諧波

2.1供電系統高次諧波允許電流

國標《GB/T 14549-93 電能質量 公用電網諧波》［1］對10kV母線各次諧波限值要求（表1、2）：

諧波電流允許值當系統公共連接點最小短路容量不同于上表基準短路容量時，按公式（1）修正上表中的諧波電流允許值：

式中， Sk1——系統公共連接點最小短路容量，MVA

Sk2——基準短路容量，MVA

Ihp——表2中第h次諧波電流允許值，A

Ih——短路容量為 Sk1時的第h次諧波電流允許值，A

注：當系統短路容量不等于100MVA時，需根據公式（1）及表2數據計算系統內諧波電流允許值。

2.2高次諧波電流計算

兩個諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加當相位角已知時按下式計算

式中，1hI——諧波源1 的第h 次諧波電流，A

Ih2——諧波源2 的第h 次諧波電流，A

coshθ——諧波源1 和諧波源2 的第h 次諧波電流之間的相位角

當相位角不確定時可按下式進行計算：

式中hK系數按表3選取

兩個以上同次諧波電流疊加時首先將兩個諧波電流疊加然后再與第三個諧波電流相疊加以此類推。

表6　變電站Ⅰ進線（平均值）

表7　二部膠帶機出線（平均值）

表8　大巷排水Ⅱ出線（平均值）

表9　膠帶運輸巷出線（平均值）

表10　變電站Ⅱ進線（平均值）

表11　集運膠帶機出線（平均值）

2.3實例

某礦區因諧波問題，曾出現電容器爆炸、電纜發熱、變壓器響聲異常等情況，給礦區生產埋下安全隱患，對企業財產、人身安全來帶嚴重威脅。

為測定系統中諧波含量，特制定采集方案：首先采用FLUKE 435型電能質量分析儀對系統進行數據采集。測量數據選?。弘妷簲祿?0kV側測量PT的二次回路試驗端子接入電能質量分析儀的電壓輸入端；電流數據取自10kV母線測量CT的二次回路試驗端子接入電能質量分析儀的電流輸入端。采集數據如下：

以3次諧波為例計算方式如下：

首先確定系統基準短路容量，得到諧波電流允許值。如系統基準短路容量是100MVA，系統諧波電流允許值為表2電流允許值；系統基準短路容量不是100MVA，則利用公式（1）計算出諧波電流允許值；（實例礦區系統基準短路容量為100MVA）

再將表4至表11中3次諧波電流測試數據，按照兩個以上同次諧波電流疊加時首先將兩個諧波電流疊加然后再與第三個諧波電流相疊加的方式，以此類推代入公式（3）。

各次諧波經過計算，某礦區10kV電力系統中總諧波電流為：3 次6.6A，5次20.3A，7次8.4A，11次6.9A，13次5.1A，與表2國家標準《GB/T 14549-93》限值比較可知， 5次諧波超標。

3　有源電力濾波器（APF）

3.1有源電力濾波器（APF）原理

有源電力濾波器（APF：Active power filter）進行可以對電力系統中諧波進行治理，APF是一種用于動態消除諧波、補償無功的新型電力電子裝置，APF適用于不同頻率、不同大小的諧波抑制及補償。APF可以通過采樣線路中電流，分離出存在各次諧波和無功分量，根據諧波和無功量快速響應，主動輸出相應大小、頻率和相位的電流，抵消系統中負載諧波電流，從而實現動態消諧及無功補償。

APF通過電力系統中電流互感器檢測負載電流，再通過APF內部數字信號處理器（DSP）提取出負載電流中的諧波成分，然后通過脈沖寬度調制（PWM）發送控制信號給APF內部的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），IGBT快速開斷逆變裝置產生一個和系統中負載諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，使其流入電力系統與負載產生的諧波電流疊加，達到消除諧波的目的。

APF分為并聯型和串聯型，并聯型APF主要是消除電流諧波，串聯型APF主要是消除電壓諧波引起的問題。

電力系統增加APF設備改善10kV系統電能質量，消除系統高次諧波。APF裝置配置時需要考慮系統等效基波電流、容量，并為擴能留有裕量。

3.2APF的特點及優點

對于電力系統諧波的治理，20世紀80年代前多采用LC濾波器，也稱無源濾波器。LC濾波器結構簡單、造價低、運行可靠等特點，但存在一定的缺陷。比如，無源濾波器的設置需根據電力系統的諧波頻率，且只能濾除特定諧波，并有可能存在與電力系統發生諧振。APF是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。它能夠消除大小和頻率不同的諧波、并對無功進行補償。APF裝置在電力系統中的應用，彌補了傳統濾波器的缺點，能夠實現動態跟蹤補償；達到既補諧波又補無功的現代工業要求［2］。

APF裝置的優點：（1）可以消除2-50次諧波，提高供電電能質量；（2）消諧響應速度快；（3）具備濾波功能和無功補償功能；（4）具備自我保護功能；（5）噪音小、損耗低。

APF裝置在電力系統的應用，對系統電能質量及用電客戶都起著重要的作用，如利用消除諧波、補償無功不僅保證了電能質量，也減少了諧波對配電變壓器的損害，延長變壓器使用壽命；減少了事故停電，保障供電的安全性、穩定性；減少了諧波對配電設備的損害，降低維護工作量和維護檢修費用，同時有效延長居民用電設備的壽命，減少居民的經濟損失；補償諧波無功功率，同時保障基波無功功率補償，減少電能損失，提高供電能力［3］。

3.3APF的發展

隨著計算機技術和芯片技術的發展，智能控制方法將逐步進入實用化階段。將智能控制方法用于控制有源電力濾波器（active power filter，APF）可大大提高APF 的各項性能。APF利用并聯型和串聯型及系統情況可以組成多種拓撲結構，無論什么樣的結構，APF的控制部分的選取是至關重要的，這決定著能否獲得優良的補償特性。APF起初將脈寬調制（PWM）的實現方法作為控制方法，包括三角波比較法、空間矢量法、滯環控制法、特定消諧PWM 法等。隨著工業的發展對電能質量提出更高的要求，對電網的諧波限制也越來越嚴格，常規的PWM控制方法已難以滿足要求。伴隨科學技術發展APF-控制方法出現了重復控制、模糊控制、常規比例積分控制、無差拍控制、變結構控制、預測控制、自適應控制、神經網絡控制等。其中模糊控制、神經網絡控制等屬于智能控制方法，是控制論、系統論、信息論和計算機技術交叉結合的產物，在處理實時變化、復雜系統時有明顯的優勢。

APF的控制方法是當前的研究熱點，而智能控制方法則是研究的重點。目前，智能控制在APF中的應用正逐步進入實踐階段，其應用研究已有了長足的進展。在APF自動控制中，存在著大量的優化問題，隨著對APF性能要求的提高，利用遺傳算法進行參數尋優，之后控制輸出最合理的電流及無功，這對APF研究是一項有意義的工作。由于APF神經網絡控制器的運算量大，大部分文獻中都只給出仿真試驗結果，但近年已有采用數字信號處理器控制的實驗結果。智能控制有源電力濾波器，絕大部分只是控制器的某個環節應用了智能控制方法，如電流環采用智能控制，而電壓環依舊采用常規比例-積分控制，因此APF整體性能的改進在很大程度上會受到限制。如果全部環節均采用智能控制，理論上會很大程度的提高APF的性能，但由于實現起來復雜，這方面的應用還需要進一步深入研究。APF屬于非線性系統控制，將智能控制方法和非線性控制方法相結合更能提高APF的性能，將來會是一個較有前途的發展方向［4］。

4　結語

非線性負載的應用會在電網中產生諧波，對供電質量造成污染，按照國標對電能質量的要求，應用APF設備消除諧波，改善電能質量，從而消除由諧波引起的各種故障和事故，能為人們的生活、安全生產帶來有力保證。APF作為諧波消除提高電能質量的有效設備的一種，在我國隨著電能質量治理的深入，逐步在現場應用和市場銷售被越來越多的人所認識，隨著各種電力電子技術的迅速發展及使用，智能控制的深入研究，APF具有很大的發展前景和市場潛力。

［1］ GB/T14549—93，電能質量，公用電網諧波，中國國家標準［S］.

［2］程少煒，潘斌，張挺，邱書明，陳宗源.APF諧波抑制技術的實際應用［J］.電氣傳動，2012（5）：42.

［3］張新，吳超，牛冠清.有源電力濾波器APF在小區配電網中的應用［J］.科技與企業，2013（24）.

［4］王曉剛，謝運祥，帥定新.智能控制方法應用與APF的綜述與展望［J］.電網技術，2008（4）.

劉克程（1983—），男，漢族，內蒙古烏海人，工程碩士，工程師，研究方向：電氣工程及變配電技術；何瑞敏（1983—），男，漢族，內蒙古烏蘭察布人，本科，工程師，研究方向：電子與通信技術；郭博（1984—），女，漢族，遼寧沈陽人，本科，工程師，研究方向：風能太陽能應用。