電網諧波濾波技術實用性研究

陳子輝　王碩君　劉勇浩　吳智影　朱躍勝

摘要：電網諧波是當前對配電供電系統、電網設備、用電設備等危害最大的電能質量問題之一。文章對典型干擾源治理應用不同諧波治理裝置的工作原理及其優缺點進行分析并結合不同應用場景，分析諧波治理中濾波技術的選擇方案，對于實際工作有一定參考意義。

關鍵詞：諧波源；有源濾波器；混合濾波器；諧波治理；電網諧波 文獻標識碼：A

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

隨著技術的發展，電力電子裝置與非線性用電設備廣泛應用于電網與電力用戶中，電網的諧波污染問題日益嚴重。諧波是對設備危害最大的電能質量問題之一。諧波不僅增加了設備的附加損耗，降低設備工作效率和使用壽命，而且影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性，造成計量儀器計量不準確，干擾通信系統的正常工作。為減少諧波問題的負面影響，提高電能質量，諧波治理技術和諧波治理裝置應運而生。

1 諧波的危害簡介

諧波定義為一個周期電氣量中，頻率為基波頻率整倍數的正弦波分量，其來源主要有電力電子裝置、中高頻感應爐等非線性設備。諧波會引起電壓及電流波形的畸變，嚴重污染電能質量。具體來說，諧波增加網損、影響設備、產生諧振，并可能會嚴重影響用戶。

2 諧波治理措施對比

2.1 無源濾波器

無源濾波器（Passive Power Filter，PPF）一般由電容器和電抗器串聯而成，利用兩個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、技術成熟，但由于諧振頻率依賴于元件參數，只能對特定諧波進行濾波，且可能與系統產生串/并聯諧振，因此一般只用于靜態補償。

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量的裝置，不僅能夠對變化的諧波進行抑制，還能對變化的無功進行補償。APF針對無源濾波器的缺點進行了改進，具有良好的應用前景。

有源濾波器由諧波和無功功率檢測電路、產生補償電流的逆變器這兩大部分組成。前者用于諧波電流和無功等分量的檢測，后者根據檢測結果產生幅值相等、相位相反的諧波分量，再注入電網將其抵消，以便達到實時補償諧波的目的。在眾多有源濾波器中，電壓型并聯式有源濾波器的應用最為廣泛。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）是結合了無源濾波器和有源濾波器各自的優點而提出的組合方案。混合型濾波器可分為三大類：并聯型混合有源濾波器、串聯APF混合型濾波器、串聯-并聯混合有源濾波器。混合型濾波器成本低廉、濾波性能優越，并有效避免了單一濾波方式的缺點，是一種非常有前景的濾波技術。

3 濾波技術的選擇

3.1 無源濾波器的選擇

低壓電網的諧波以低頻諧波為主。其特點是諧波頻率較為固定，且對高頻濾波沒有要求，因此選擇成本較低的無源濾波器便可達到預期的濾波效果。如供電公司變電站10kV母線上的鐵芯設備和用戶用電設備主要產生3次、5次等奇次低頻諧波，針對這個問題，變電站采用無源濾波器進行諧波治理，既可以達到諧波治理效果，也可以節約成本，提高經濟性。還有一些三相4線系統的用戶，很多時候中性線零序電流超過標準設計電流，將會造成中性線過度發熱，導致中性線熔斷，嚴重時發生火災。這樣專用零序濾波器應運而生。

3.2 有源濾波器的選擇

以上變電站10kV母線上的無源濾波技術很多時候兼有無功補償的功能，當系統無功足夠時，很有可能就不需要投上無源濾波器，這時電網就會經受諧波的危害。如果這時母線上的用戶各自諧波源的諧波含量都不超國家標準，供電公司就必須考慮大功率的有源濾波了。實際應用中，有源濾波器濾波效果雖然優于無源濾波器，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雜的中低壓、小功率的濾波場景中。

2012年，某供電公司變電站10kV 1M多臺10kV電容器燒毀，經檢查是由A電力用戶廠內諧波源引起。對A電力用戶電能質量進行專項測試，發現諧波電流含量超標，見表1：

A電力用戶電氣系統主要是大功率直流設備、變頻器傳動設備等。直流設備采用三相6脈沖整流裝置，主要產生6K±1次諧波，即5、7、11、13次特征諧波等；變頻器產生電力諧波，主要特征波是3、5、7、11、13等次。經在線監測，這些設備都是運行中無功功率和有功功率變化不穩定。電力用戶未來5～10年用電容量增長不大，目前容量列表見表2：

A電力用戶為更有效地提高配電系統電能質量，考慮直接在配電系統低壓端對諧波干擾源設備應用有源濾波技術，濾波效果非常明顯，諧波含量達到國家標準。

一般來說，一些大功率的變頻設備和中頻電源，應用無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采用可控硅中頻電源的大功率電加熱設備和數控車床，運行負荷變化大，有功功率和無功功率變化不穩定，容易產生大量諧波，嚴重污染電能質量，并影響到了電網配網設備的正常使用。經深入分析研究，該B電力用戶廠房的2#變低壓支路總諧波畸變率超標，注入母線的5、7、11次諧波電流含量較高，同時，由于負荷變化大，因此考慮加裝有源濾波器治理。根據諧波電流大小及變壓器容量，采用兩臺200A的有源濾波器。安裝后測試，原先超標的5次諧波電流從22.5%下降到1.5%。有源濾波器投入運行后，諧波電流明顯減小，有效地保證了供電系統的安全運行。

3.3 混合型濾波器的選擇

大多數情況下，電網中的諧波除了一些特定次數的諧波之外，還存在不斷不規則變化的諧波。而單獨使用無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揮其優勢，達到很好的濾波效果。在有些供電容量較大的電源母線上，帶有多臺變壓器，并且每臺變壓器負荷容量大小不同，變化也不同，單獨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的例子中，無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，濾波器容易與電網發生諧振，影響濾波效果。因此，在無源濾波器的基礎上加入有源濾波器，組成混合濾波器來對諧波進行治理。其中：無源濾波器包括3次、5次等單調諧波濾波器、專用零序濾波器、高通濾波器；有源濾波器環節主要起到提高無源濾波器濾波效果、抑制電源電壓畸變產生諧波電流以及抑制電力系統阻抗和無源濾波器之間可能產生的串/并聯諧振的作用。通過對系統及濾波裝置的仿真與實際應用，絕大部分諧波電流被濾除，補償后的系統電流和電壓波形也得到極大改善。還有在配電系統中，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，但高壓端濾波費用將會更高。

4 結語

諧波無論對電網設備還是電力用戶都會造成危害，目前針對諧波的治理措施也有多種選擇。本文結合案例，說明了在濾波裝置的選擇上，應該認真分析引發諧波產生的因素，根據實際的電網情況及諧波情況，并同時考慮經濟性，合理對諧波治理裝置進行選擇，以此提高供電的安全性、可靠性以及穩定性，確保電網的長期穩定運行。

參考文獻

[1] 黃海宏，楊勝江，王海欣，等.多逆變器并聯在EAST裝置中的應用[J].電子測量與儀器學報，2012，26（9）.

[2] 羅邵屏，羅安，湯賜，等.諧波治理的研究進展[J].變流技術與電力牽引，2007，（6）.

[3] 顧建軍，徐殿國，劉漢奎，等.有源濾波技術現狀及其發展[J].電機與控制學報，2003，7（2）.

[4] 曹英龍.無源和有源的混合電力濾波技術在改善平西配網電能質量中的應用研究[D].重慶大學，2008.

[5] 李宏亮.有源電力濾波器對諧波治理的意義[J].產業與科技論壇，2016，15（14）.

[6] 魏學良，程婷.諧波治理設備在供電系統中的應用

[J].國外電子測量技術，2015，（1）.

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

（責任編輯：蔣建華）