工厂供配电谐波治理研究

尹晓落

【摘 要】在对工厂供配电系统谐波产生原因及危害性分析的基础上，提出了一种以有源滤波器和无源滤波器组成的混合型有源滤波器，用于抑制工厂供配电系统的谐波，并保证一定的经济性。通过实验结果验证了该有源滤波器的可行性和有效性，该混合型有源滤波器不但能够提供较好的谐波抑制作用，同时较好的控制了滤波器的整体功耗，具有较高的经济性和较高的推广价值。%On the base of analyzing the cause and criticality of harmonic wave,a hybrid active power filter made up of active and passive filter was raised to inhibit harmonic wave and guarantee its economy. The final experiments were conducted to test the feasibility and validity of the hybrid active power filter,which displayed good inhibition on harmonic wave and the control of the overall power consumption and showed high economy and promotion value.

【期刊名称】《大庆师范学院学报》

【年(卷),期】2015(000)003

【总页数】5页(P17-21)

【关键词】工厂供配电系统;谐波;混合有源滤波器

【作 者】尹晓落

【作者单位】安徽职业技术学院 电气工程系，安徽 合肥230011

【正文语种】中 文

【中图分类】TP927

工厂供配电谐波治理研究

尹晓落

(安徽职业技术学院电气工程系，安徽合肥230011)

摘 要:在对工厂供配电系统谐波产生原因及危害性分析的基础上，提出了一种以有源滤波器和无源滤波器组成的混合型有源滤波器，用于抑制工厂供配电系统的谐波，并保证一定的经济性。通过实验结果验证了该有源滤波器的可行性和有效性，该混合型有源滤波器不但能够提供较好的谐波抑制作用，同时较好的控制了滤波器的整体功耗，具有较高的经济性和较高的推广价值。

关键词:工厂供配电系统;谐波;混合有源滤波器

作者简介:尹晓落(1973－)，女，安徽阜阳人，安徽职业技术学院电气工程学讲师，从事高等职业教育、电气自动化研究。

中图分类号: TP927文献标识码: A 文章编号:2095－0063(2015) 03－0017－05收稿日期:2014－11－27

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095－0063.2015.03.005

0 引言

在现代工厂供配电系统中，存在大量的非线性负载，这会向电网中注入大量的非正弦电流，影响公用电网及工厂供配电系统的电能质量，导致公共连接点的高次谐波电压严重超标、电能质量下降，对工厂各类电气设备的正常运行产生极大影响。

1 工厂供配电系统谐波及危害性

1.1 谐波的产生

谐波是一个周期电气量的正弦分量，其具体是指电流中存在频率为基波频率整数倍的电量。谐波的周期为T = 2π/ω的非正弦电压U(ω ) t，在满足Dirichlet条件的，以T作为周期的时间的周期函数U (ωt)，在连续点处，可以利用傅里叶级数进行表示:

公式中的nω表示谐波项，n的取值为大于等于2的整数。谐波属于正弦波，每个谐波的频率、幅度以及相角等特征值都存在一定的差异。谐波主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压对非线性设备施加时，就会导致非线性设备所吸收的电流与施加的电流产生波形差异，而且这种差异呈现为非线性关系。此时，电流会产生畸变，形成非正弦电流，即在电路中有谐波产生

［1］。

1.2 谐波的危害性

(1)对旋转电机的影响。当谐波电流注入旋转电机时，会导致电机产生附加损耗。同时，由于谐波电流与电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩还可能引起电机的震动，进一步导致电机转轴发生扭曲，引发机械振动，发出较大的噪声和谐波过电压。

(2)对工厂供配电系统电力设备的影响。谐波电压会造成变压器产生磁滞损耗和涡流损耗。另外谐波电流还会使铜损增加，使非对称性负荷的变压器历次电流的谐波分量大幅度增加，导致变压器的实际使用容量下降。

(3)对通信的干扰和影响。谐波通过电容耦合、电磁感应以及电气传导等方式感应到通信线路上，对附近的通信系统产生干扰，轻则可能导致无法正常通信，严重的则可能导致通信数据丢失以及系统失效。

(4)对继电保护装置和自动装置的影响。因为保护装置与自动控制设备通常以工业频率以及正弦波对工作电压和电流进行设计，谐波将对这些设备的正常工作条件产生干扰，严重时可能引发事故。尤其是暂态过程中存在较长的衰减持续时间，比如变压器合闸涌流中的谐波分量，因为其幅值较大、谐波含量也较高，此时就存在较高的几率导致继电保护装置发生误动作而影响正常供电，并造成额外的电能损耗。

2 常用谐波治理方法

目前国内外常用的谐波治理措施主要包括无源滤波器和有源滤波器两种

［2］。

2.1 无源滤波器

无源电力滤波器即在电容器上串联电抗器组成，其结构相对较为简单，运行可靠、维修便捷，除滤波抑制功能外，还实现了无功补偿功能，可以设计较大的容量，相对于有源滤波器来说，其整体应用成本较低，目前仍然具有广泛的应用。但是，无源滤波器也存在一些缺点，一方面是无法对动态变化的谐波进行针对性的滤波，另外，滤波效果也交叉，通常只能实现50%－60%左右的谐波过滤。

2.2 有源滤波器

有源滤波器是一种新型的谐波抑制和无功补偿装置，相当于一个大功率的波形发生器，在对谐波进行采样之后，进行180度的相移，然后完整复制，再送入到谐波源中。复制的谐波与原有的谐波源大小相等，方向相反，并按照原有谐波源产生变化，因此可以完全抵消谐波源

［3］。虽然有缘滤波器在谐波治理效果上远远高于无源滤波器，但是由于大

功率电力电子元件的应用，电网的有功损耗较高，应用成本也大大提高

［4］。因此，在大容量的滤波器装置上应用范围非常有限。

3 混合有源滤波器

3.1 实验系统设计

本文中假设在公共连接点只存在5次谐波电压，考虑谐波在传播时，空载达到最大，设计了一套实验系统，其结构如图1所示，具体电路参数如下所示(其它次数的谐振谐波也可以按照该方式进行处理) :

5次调谐无源滤波器: L

F= 12mH，C

F= 24μF，Q = 10，S = 0.43kVA ;

有源滤波器: S = 0.14kVA ;

并联电容器: C = 1000μF，S = 14kVA ;

漏电感: L

T= 460μH ;

采用了三相电源，380V，50Hz，20kVA为系统基准容量。

图1 实验系统

这里采用5次谐波电压发生器对公共连接点前级的5次谐波电压进行模拟，该电压发生器由三相电压源型PWM逆变器构成。并利用3个单相电压源型PWM逆变器组成有源滤波器，通过单相耦合变压器以及5次无源滤波器的串联进行连接。功率因数补偿器与公共母线并联连接，并与配电变压器漏电感形成串/并联谐振电路，谐振频率控制在与5次谐波频率相同的水平。

［5］。

品质因素Q是无源滤波器的最重要参数之一，其值的大小会直接对无源滤波器的滤波效果产生影响。通常，当Q的值越大时，无源滤波器的滤波效果越高。文中所提出的

有源滤波器可以使无源滤波器的品质因数无限制增大，从而极大促进无源滤波器滤波效果的提升。

3.2 APF

实验系统的单相等效电路如图2所示。有源滤波器通过对流入无源滤波器的5次谐波电流i

F5进行检测，并将其放大K倍，从而确定其电压参考

。

图2 实验系统单相等效电路

图3 5次谐波单相等效电路

因此，对于5次谐波来说，有源滤波器相当于一个电阻值为KΩ的纯电阻。混合型有源滤波器在5次谐波频率下的阻抗如下:

公式中的r

F表示PF的固有电阻; L

F、C

F分别表示无源滤波器的电感值和电容值。

当无源滤波器调谐在5次谐波频率，则无源滤波器的阻抗为Z

5，在该条件下，如果有源滤波器的电阻值为－r

F时，Z

5=0，则公共母线上不存在5次谐波电压。因此，如果K＜0，则有源滤波器的对外电路表现为负电阻特性，可以使无源滤波器的品质因素无限制增大，提升无源滤波器的滤波效果。图3所示为5次谐波单相等效电路。

公共母线上的5次谐波电压具体如下:

电网中的5次谐波电流具体如下:

显然，当k =－r

F时，就会出现以下结果:

如果无源滤波器中的电流达到一定水平时，控制增益K，使其值为正，则有源滤波器呈现出正电阻特性，阻止过电流流入无源滤波器。通常，可以利用下面的公式计算通过PF的5次谐波电流i

F5:

3.3 控制电路

(1)谐波分离电路

在空载情况下，即(R

L=∞)时:

图4 谐波分离电路

控制电路包括谐波分离电路和增益调整电路两个部分。通过交流电流互感器，谐波分离电路可以对流入无源滤波器的三相电流进行检测，然后通过3/2变换到α－β坐标系，再通过单位旋转向量变换为d －q坐标系，此时α－β坐标系中的5次谐波正序电流被转换为2个直流分量。针对这一结果，可以利用2个低通滤波器分离5次谐波的正序电流，最后在通过d－q坐标系进行逆变换和2/3变化，即可获取三相5次谐波的正序电流。按照上述原理，通过反方向的单位旋转向量即可获取三相5次谐波的负序电流。最后计算三相5次谐波电流，其具体值即为正序电流与负序电流之和。

(2)增益调整电路

首先利用下面的公式计算出三相5次谐波电流的平方和:

将

与预先设定的PF电流极限值

的平方进行比较，如果

＜

，则电路K =－rF;而当

＞

时，则需要利用电路中的积分反馈控制器对增益K进行调整，使其大于0，从而使

=

，避免滤波器过流和过热。其中，可以根据系统对响应时间的实际要求来确定积分系数K

1。这里K

1的取之为0.4Ω(A

2·s)。

4 实验结果分析

4.1 谐振谐波的抑制

这里假设在公共连结点的前级中存在一个2.0%的5次谐波电压源，表1中给出了5次谐波电压计电流的FFT分析结果，其中VPCC5、VBUS5及VAF以额定相电压作为参考值，这里为

V。is5、ic5及if5以负载额定电流作为参考值，这里为60A

［6］。

表1 5次谐波电压及电流FFT分析数据

注:三相电源，380V，50Hz，20kVA系统额定容量。

从表1中的分析结果可以看出，在未安装滤波器的条件下，LT与C之间的谐振使得公共母线的5次谐波电压扩大了7.5倍;在只安装有源滤波器的情况下，公共母线上的5次谐波电压扩大了3.15倍;而在安装混合型有源滤波器之后，公共母线上的谐波电压均处于较低的水平，相对于只安装有源滤波器的条件下，5次谐波的电压和电流降低了大约6倍。同时，滤波器电路所吸收的5次谐波电流明显增加，这也充分说明了串联混合型有源滤波器对谐波谐振的抑制具有较好的作用。通过串联的方式使得无源滤波器的谐波抑制能力大大提高。

4.2 过电流的抑制

通过提高谐波电压发生器注入谐波电压幅值的方式模拟电路中的过电流情况，并使流入无源滤波器的5次谐波电流极限值设定为1.0A，并将增益K的值固定为－2。则随着5次谐波电压的不断增加，注入无源滤波器的5次谐波电流不断增加，直到4.3A时停止上升。此时，有源滤波器的输出电压也会不断增加，所需要的额定功率必然也会随着增加。

如果5次谐波电流超过极限值，则增益调整电路会自动对增益K的值进行调整，使其变为正值，从而始终将5次谐波电流的值控制在1.0A以下。同时，通过鉴相器可以发现，有源滤波器的输出电压和电流同相位，这说明了有源滤波器对5次谐波电压及电流呈现出正电阻特性。

5 结束语

本文设计了一种利用无源滤波器和有源滤波器串联组成的混合型滤波器，该混合型滤波器不但能够更好的抑制谐波的产生，同时还有效降低了滤波器的功耗。通过实验验证了该混合型滤波器的可行性及有效性。该混合型滤波器对提升工厂供配电水平具有重要的推动作用。

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［6］郑征，张东霞.电力电子装置谐波污染及其抑制对策的研究［J］.工矿自动化，2009(1) : 36－39.

Factory Power Supply Harmonic Governance Research

YIN Xiao－luo

(Department of Electrical Engineering，Anhui Vocational and Technical College，Hefei 230011，China)

Abstract: On the base of analyzing the cause and criticality of harmonic wave，a hybrid active power filter made up of active and passive filter was raised to inhibit harmonic wave and guarantee its economy.The final experiments were conducted to test the feasibility and validity of the hybrid active power filter，which displayed good inhibition on harmonic wave and the control of the overall power consumption and showed high economy and promotion value.

Key words: factory power supply and distribution system; harmonic wave; hybrid active power filter