電網(wǎng)諧波濾波技術(shù)實(shí)用性研究

陳子輝　王碩君　劉勇浩　吳智影　朱躍勝

摘要：電網(wǎng)諧波是當(dāng)前對(duì)配電供電系統(tǒng)、電網(wǎng)設(shè)備、用電設(shè)備等危害最大的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。文章對(duì)典型干擾源治理應(yīng)用不同諧波治理裝置的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析并結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景，分析諧波治理中濾波技術(shù)的選擇方案，對(duì)于實(shí)際工作有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：諧波源；有源濾波器；混合濾波器；諧波治理；電網(wǎng)諧波 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM714 文章編號(hào)：1009-2374（2016）34-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.036

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置與非線性用電設(shè)備廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)與電力用戶中，電網(wǎng)的諧波污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。諧波是對(duì)設(shè)備危害最大的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。諧波不僅增加了設(shè)備的附加損耗，降低設(shè)備工作效率和使用壽命，而且影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性，造成計(jì)量?jī)x器計(jì)量不準(zhǔn)確，干擾通信系統(tǒng)的正常工作。為減少諧波問(wèn)題的負(fù)面影響，提高電能質(zhì)量，諧波治理技術(shù)和諧波治理裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 諧波的危害簡(jiǎn)介

諧波定義為一個(gè)周期電氣量中，頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波分量，其來(lái)源主要有電力電子裝置、中高頻感應(yīng)爐等非線性設(shè)備。諧波會(huì)引起電壓及電流波形的畸變，嚴(yán)重污染電能質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，諧波增加網(wǎng)損、影響設(shè)備、產(chǎn)生諧振，并可能會(huì)嚴(yán)重影響用戶。

2 諧波治理措施對(duì)比

2.1 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器（Passive Power Filter，PPF）一般由電容器和電抗器串聯(lián)而成，利用兩個(gè)元件的組合諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗回路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流，一般用于抑制較低頻率的單一諧波。PPF成本低、技術(shù)成熟，但由于諧振頻率依賴于元件參數(shù)，只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波，且可能與系統(tǒng)產(chǎn)生串/并聯(lián)諧振，因此一般只用于靜態(tài)補(bǔ)償。

2.2 有源濾波器

有源濾波器（Active Power Filter，APF）是一種用于改善電能質(zhì)量的裝置，不僅能夠?qū)ψ兓闹C波進(jìn)行抑制，還能對(duì)變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。APF針對(duì)無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，具有良好的應(yīng)用前景。

有源濾波器由諧波和無(wú)功功率檢測(cè)電路、產(chǎn)生補(bǔ)償電流的逆變器這兩大部分組成。前者用于諧波電流和無(wú)功等分量的檢測(cè)，后者根據(jù)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生幅值相等、相位相反的諧波分量，再注入電網(wǎng)將其抵消，以便達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波的目的。在眾多有源濾波器中，電壓型并聯(lián)式有源濾波器的應(yīng)用最為廣泛。但由于有源濾波器成本較高，容量一般較小，因而限制了它的推廣。

2.3 混合型濾波器

混合型濾波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）是結(jié)合了無(wú)源濾波器和有源濾波器各自的優(yōu)點(diǎn)而提出的組合方案。混合型濾波器可分為三大類：并聯(lián)型混合有源濾波器、串聯(lián)APF混合型濾波器、串聯(lián)-并聯(lián)混合有源濾波器。混合型濾波器成本低廉、濾波性能優(yōu)越，并有效避免了單一濾波方式的缺點(diǎn)，是一種非常有前景的濾波技術(shù)。

3 濾波技術(shù)的選擇

3.1 無(wú)源濾波器的選擇

低壓電網(wǎng)的諧波以低頻諧波為主。其特點(diǎn)是諧波頻率較為固定，且對(duì)高頻濾波沒(méi)有要求，因此選擇成本較低的無(wú)源濾波器便可達(dá)到預(yù)期的濾波效果。如供電公司變電站10kV母線上的鐵芯設(shè)備和用戶用電設(shè)備主要產(chǎn)生3次、5次等奇次低頻諧波，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，變電站采用無(wú)源濾波器進(jìn)行諧波治理，既可以達(dá)到諧波治理效果，也可以節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)性。還有一些三相4線系統(tǒng)的用戶，很多時(shí)候中性線零序電流超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)電流，將會(huì)造成中性線過(guò)度發(fā)熱，導(dǎo)致中性線熔斷，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生火災(zāi)。這樣專用零序?yàn)V波器應(yīng)運(yùn)而生。

3.2 有源濾波器的選擇

以上變電站10kV母線上的無(wú)源濾波技術(shù)很多時(shí)候兼有無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ埽?dāng)系統(tǒng)無(wú)功足夠時(shí)，很有可能就不需要投上無(wú)源濾波器，這時(shí)電網(wǎng)就會(huì)經(jīng)受諧波的危害。如果這時(shí)母線上的用戶各自諧波源的諧波含量都不超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，供電公司就必須考慮大功率的有源濾波了。實(shí)際應(yīng)用中，有源濾波器濾波效果雖然優(yōu)于無(wú)源濾波器，但考慮到成本因素，其容量一般較小。因此，有源濾波器一般適用于諧波情況較為復(fù)雜的中低壓、小功率的濾波場(chǎng)景中。

2012年，某供電公司變電站10kV 1M多臺(tái)10kV電容器燒毀，經(jīng)檢查是由A電力用戶廠內(nèi)諧波源引起。對(duì)A電力用戶電能質(zhì)量進(jìn)行專項(xiàng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)諧波電流含量超標(biāo)，見(jiàn)表1：

A電力用戶電氣系統(tǒng)主要是大功率直流設(shè)備、變頻器傳動(dòng)設(shè)備等。直流設(shè)備采用三相6脈沖整流裝置，主要產(chǎn)生6K±1次諧波，即5、7、11、13次特征諧波等；變頻器產(chǎn)生電力諧波，主要特征波是3、5、7、11、13等次。經(jīng)在線監(jiān)測(cè)，這些設(shè)備都是運(yùn)行中無(wú)功功率和有功功率變化不穩(wěn)定。電力用戶未來(lái)5～10年用電容量增長(zhǎng)不大，目前容量列表見(jiàn)表2：

A電力用戶為更有效地提高配電系統(tǒng)電能質(zhì)量，考慮直接在配電系統(tǒng)低壓端對(duì)諧波干擾源設(shè)備應(yīng)用有源濾波技術(shù)，濾波效果非常明顯，諧波含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

一般來(lái)說(shuō)，一些大功率的變頻設(shè)備和中頻電源，應(yīng)用無(wú)源濾波器濾波效果也欠佳，一般也考慮有源濾波器。如B電力用戶廠房裝有多臺(tái)采用可控硅中頻電源的大功率電加熱設(shè)備和數(shù)控車床，運(yùn)行負(fù)荷變化大，有功功率和無(wú)功功率變化不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重污染電能質(zhì)量，并影響到了電網(wǎng)配網(wǎng)設(shè)備的正常使用。經(jīng)深入分析研究，該B電力用戶廠房的2#變低壓支路總諧波畸變率超標(biāo)，注入母線的5、7、11次諧波電流含量較高，同時(shí)，由于負(fù)荷變化大，因此考慮加裝有源濾波器治理。根據(jù)諧波電流大小及變壓器容量，采用兩臺(tái)200A的有源濾波器。安裝后測(cè)試，原先超標(biāo)的5次諧波電流從22.5%下降到1.5%。有源濾波器投入運(yùn)行后，諧波電流明顯減小，有效地保證了供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 混合型濾波器的選擇

大多數(shù)情況下，電網(wǎng)中的諧波除了一些特定次數(shù)的諧波之外，還存在不斷不規(guī)則變化的諧波。而單獨(dú)使用無(wú)源或有源濾波器均有不適用之處，在這種情況下，混合型濾波器就能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，達(dá)到很好的濾波效果。在有些供電容量較大的電源母線上，帶有多臺(tái)變壓器，并且每臺(tái)變壓器負(fù)荷容量大小不同，變化也不同，單獨(dú)使用有源濾波效果不明顯，必須考慮混合式濾波器。

在上述采用濾波技術(shù)的例子中，無(wú)源濾波器雖然能起到一定的濾波作用，但由于其固定的元件參數(shù)，濾波器容易與電網(wǎng)發(fā)生諧振，影響濾波效果。因此，在無(wú)源濾波器的基礎(chǔ)上加入有源濾波器，組成混合濾波器來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行治理。其中：無(wú)源濾波器包括3次、5次等單調(diào)諧波濾波器、專用零序?yàn)V波器、高通濾波器；有源濾波器環(huán)節(jié)主要起到提高無(wú)源濾波器濾波效果、抑制電源電壓畸變產(chǎn)生諧波電流以及抑制電力系統(tǒng)阻抗和無(wú)源濾波器之間可能產(chǎn)生的串/并聯(lián)諧振的作用。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)及濾波裝置的仿真與實(shí)際應(yīng)用，絕大部分諧波電流被濾除，補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流和電壓波形也得到極大改善。還有在配電系統(tǒng)中，配電變壓器高壓端和低壓端濾波效果不一樣，在高壓端濾波效果比在低壓端濾波效果更好，但高壓端濾波費(fèi)用將會(huì)更高。

4 結(jié)語(yǔ)

諧波無(wú)論對(duì)電網(wǎng)設(shè)備還是電力用戶都會(huì)造成危害，目前針對(duì)諧波的治理措施也有多種選擇。本文結(jié)合案例，說(shuō)明了在濾波裝置的選擇上，應(yīng)該認(rèn)真分析引發(fā)諧波產(chǎn)生的因素，根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)情況及諧波情況，并同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，合理對(duì)諧波治理裝置進(jìn)行選擇，以此提高供電的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性，確保電網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：陳子輝（1976-），男，廣東江門人，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局高級(jí)工程師，研究方向：電力管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）