工廠企業(yè)配電網(wǎng)中諧波治理及相應(yīng)技術(shù)措施的研究

盧洪亮

（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

諧波是配電網(wǎng)中隱形的、最具危害力的殺手，尤其是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，工廠企業(yè)中電力電子換流裝置、電弧爐等設(shè)備逐漸引入，使得非線性電力負(fù)荷急劇增加，由此造成的諧波污染問題日趨嚴(yán)重。諧波的存在將引發(fā)供電電壓波形的畸變，降低電網(wǎng)生產(chǎn)、傳輸、供電的質(zhì)量和效率，且配電網(wǎng)中諧波頻率與諧振頻率近似時(shí)，可能誘發(fā)并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振[1]，進(jìn)而產(chǎn)生大幅度、寬范疇的過電壓、過電流問題，造成電壓互感器、電力變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備過熱，加速老化、縮短設(shè)備使用壽命，甚至出現(xiàn)爆炸、燒毀等事故，從根本上影響配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？梢?，深入探究諧波產(chǎn)生機(jī)理，采取有效措施進(jìn)行治理與防控是降低諧波干擾與危害的關(guān)鍵所在，而電力電子換流裝置作為工廠企業(yè)配電網(wǎng)中最主要的諧波污染源，將其列為治理重點(diǎn)，利用變壓器將有源、無源電力濾波器串聯(lián)再與配電網(wǎng)并聯(lián)，形成新型的混合治理結(jié)構(gòu)，并針對(duì)治理中存在的問題，進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以獲得更好的諧波治理效果。

1 諧波的成因

目前關(guān)于諧波的概念，通說認(rèn)為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍”[2]，因?yàn)橹C波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波頻率，又將其稱為高次諧波。正常狀態(tài)下，配電網(wǎng)中的電流和電壓均為正弦波，施加的電壓和經(jīng)過的電流僅在含線性元件的簡(jiǎn)單電路中成正比，在對(duì)配電網(wǎng)施加正弦基波電壓時(shí)，非線性設(shè)備所吸收的電流與施加的電壓之間存在差異，無法形成線性相關(guān)，非正弦波形的相位、頻率或幅值發(fā)生不同程度的偏移，也即波形畸變，進(jìn)而導(dǎo)致諧波污染[3]。究其根源，諧波的關(guān)鍵成因在于非線性負(fù)載，尤其電力電子變壓器是引發(fā)諧波的關(guān)鍵因子，因其主要由特定的磁性材料構(gòu)成，其磁性變化曲線呈現(xiàn)非線性特質(zhì)，在特定運(yùn)行條件下，該設(shè)備的鐵心將出現(xiàn)飽和問題，而且，基于經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)考量，工作磁密更傾向于選擇在電力變壓器的磁化曲線工作在近飽和區(qū)段上，各因素綜合作用下，磁化電流將呈現(xiàn)尖頂波形，由此便會(huì)產(chǎn)生諧波。

2 配電網(wǎng)中諧波治理方法

2.1 諧波治理措施

目前，最常采用的方法是通過增設(shè)無源電力濾波器或有源電力濾波器等諧波抑制裝置，來吸收諧波源中的諧波電流，以達(dá)到諧波治理的目的。有源濾波器可對(duì)頻率、大小動(dòng)態(tài)變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償[4-5]，且不受配電網(wǎng)頻率、阻抗的影響，效率高，補(bǔ)償性好，而鑒于工廠企業(yè)配電網(wǎng)的電壓等級(jí)高、電流大，需要進(jìn)行高壓、大容量諧波補(bǔ)償，單獨(dú)使用有源濾波器，容量要求和制造成本太高，而混合使用兩種濾波器，可彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，但以往的并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)中，注入有源電力濾波器的補(bǔ)償電流可能經(jīng)由濾波通道流入無源電力濾波器，增加其負(fù)擔(dān)，也削減了諧波補(bǔ)償性，而串聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)中，無源濾波器無法濾除全波諧波，并由有源濾波器強(qiáng)制其存留其中，這勢(shì)必使得負(fù)載端產(chǎn)生諧波電壓，進(jìn)而引發(fā)諧波電壓與諧波電流此消彼長(zhǎng)的問題[6]。因此，可先將通過變壓器將有源、無緣兩種電流濾波器串聯(lián)，然后再并聯(lián)入配電網(wǎng)，由此構(gòu)建的混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，優(yōu)于串聯(lián)混合型治理方案，由無源濾波器承載配電網(wǎng)大部分基波電壓，而有源濾波器則只分擔(dān)小部分，耦合變壓器只流經(jīng)負(fù)載諧波電流和極少的基波電流，縮減了有源濾波器的容量。

圖1 混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid active power filter

2.2 諧波電流的檢測(cè)算法

有源電力濾波器作為諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，其跟蹤、補(bǔ)償特性受諧波電流檢測(cè)效率、精準(zhǔn)度的影響，而通過對(duì)比分析，ip,iq算法具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、功能靈活多變等優(yōu)勢(shì)性，可將三相瞬時(shí)基波正序有功電流、基波正序無功電流、基波負(fù)序和高次諧波電流等快速的分離[7-8]，無需確定三相電路的瞬時(shí)電流、配電網(wǎng)電壓的頻率、幅值和初始相位信息，簡(jiǎn)化了外部信號(hào)檢測(cè)電路，但該算法需要同時(shí)提取諧波、無功分量，增加了運(yùn)算量、時(shí)延性，為此，可采用分頻檢測(cè)方法去除三相至兩相坐標(biāo)變換及逆變換，對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。在檢測(cè)單相電流時(shí)，設(shè)定電網(wǎng)單相瞬時(shí)負(fù)載電流為[9]：

上式中，ip為瞬時(shí)基波有功電流分量，iq為基波無功電流分量，ih是不同次諧波分量的和，In、Φn分別為n次諧波電流幅值、諧波相位，將上式兩邊均乘以2cosωt或2sinωt,分別得出[10]：

結(jié)合公式（2）、（3）可知，需要利用一個(gè)比基波頻率低的截止頻率低通濾波器，才可獲得ip、iq分量。

有源濾波器的逆變器直流側(cè)電壓應(yīng)該保持恒定，提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)，才可以對(duì)諧波電流進(jìn)行有效補(bǔ)償[11]，但是因?yàn)橐獙?duì)補(bǔ)償電流、負(fù)載諧波電流進(jìn)行控制、跟蹤，其固有線路電阻、開關(guān)損耗、工作狀態(tài)切換均會(huì)引發(fā)功率損耗，進(jìn)而導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)或欠壓，為此，需要設(shè)定一個(gè)直流電壓反饋環(huán)節(jié)，來確保直流側(cè)電壓Udc的恒定，并將其與參考電壓Udc*的差值經(jīng)由PI控制器，將其與ip合成，最終實(shí)現(xiàn)Udc的穩(wěn)定。

逆變過程中，以合成的IP與cosωt相乘，可獲得瞬時(shí)基波有功電流分量：

結(jié)合上述分析，可獲得補(bǔ)償參考電流：

將iq運(yùn)算通道斷開，此時(shí)可對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，而為了剔除畸變電壓的諧波成分，將運(yùn)用PLL鎖相回路對(duì)A相配電網(wǎng)電壓ua進(jìn)行跟蹤，可見，該檢測(cè)方法簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，可規(guī)避畸變電壓的影響，確保了諧波檢測(cè)的跟蹤準(zhǔn)確性和諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性，其應(yīng)用原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的ip、iq檢測(cè)算法原理Fig.2 Detection algorithm principle of improved ip、iq

3 結(jié)論

工廠企業(yè)配電網(wǎng)的拓?fù)鋸?fù)雜、負(fù)荷分散，傳統(tǒng)的諧波治理及檢測(cè)算法已經(jīng)無法適應(yīng)新要求，針對(duì)并聯(lián)、串聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的弊端性，根據(jù)有源濾波器高效率、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性，以及無源濾波器在高壓、大功率補(bǔ)償中的優(yōu)勢(shì)，引入了一種新型混合結(jié)構(gòu)的有源濾波器，并對(duì)ip、iq檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化，化解了三相四線制系統(tǒng)中零序諧波泄露的問題，提升了諧波檢測(cè)的跟蹤、檢測(cè)精度。