錢葉牛1，史江凌2,，強  晟3,，汪劍波2，孫  健1

　　(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院,，北京100075,；2.國網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京101100,；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司,，吉林 長春130021)

摘  要： 首先介紹了單調(diào)諧和二階高通濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后以某用戶等離子體點火器為研究對象進行諧波測試分析,，并且詳細介紹了濾波器設(shè)計過程,，最后利用PSCAD搭建仿真環(huán)境驗證濾波器濾波效果。仿真結(jié)果表明,，所設(shè)計的濾波器有效抑制了用戶配電系統(tǒng)中諧波電流,，使用戶注入公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）的諧波電流滿足國家標準要求,，同時還提高了功率因數(shù),，優(yōu)化了用電環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 電能質(zhì)量,；諧波電流,；濾波器；仿真分析

0 引言

　　隨著電力工業(yè)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和逐步成熟,，現(xiàn)代大中型企業(yè)非線性負載比重日益增加,，容量不斷擴大，特別是晶閘管整流,、變頻調(diào)速等裝置在工業(yè)生產(chǎn)中愈來愈廣泛地應用以后，向電網(wǎng)注入了大量諧波電流,，使供電電壓波形畸變,，電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，同時也給連接于同一電網(wǎng)系統(tǒng)的其他用電設(shè)備帶來了不利影響和危害,。

　　為了保障廣大用電客戶和電網(wǎng)企業(yè)的權(quán)益,，1993年國家技術(shù)監(jiān)督局正式頒發(fā)了國家標準《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549-1993)，該標準規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶注入公用電網(wǎng)諧波電流限值,，為用戶制定諧波治理方案或措施提供了依據(jù)[1],。

　　有效解決諧波源設(shè)備的諧波污染問題有兩個基本方法：一是裝設(shè)諧波補償設(shè)備來補償諧波；二是對諧波源設(shè)備本身進行改造,，使其不產(chǎn)生諧波,。由于第一種方法對各種諧波源都適用，且可對含有多種諧波源的系統(tǒng)進行集中治理,，因而在實際工程中得到廣泛應用,。

　　諧波補償設(shè)備就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施,，其按照所采用的元器件,，可分為無源濾波器和有源濾波器。由于無源濾波器具有投資少,、效率高,、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點,，因而被廣泛使用,。有源濾波器是新一代諧波補償設(shè)備，具有良好的補償特性,，能同時滿足補償諧波和無功功率的要求,，但因價格較高、維護復雜等因素，在我國應用還不廣泛,。

　　無源濾波器主要由電容,、電感、電阻元件串并聯(lián)組成,，將其設(shè)計為某頻率下極低阻抗,，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式是提供諧波電流旁路通道,。無源濾波器根據(jù)在電網(wǎng)中的連接形式可以分為并聯(lián),、串連和混聯(lián)三種，其中并聯(lián)濾波器是應用最為廣泛的一種,；根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,，又可以分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器及高通濾波器等幾種,。在實際應用中單調(diào)諧濾波器和二階高通濾波器使用較為廣泛[2-4],。

1 單調(diào)諧濾波器的設(shè)計

　　1.1 工作原理

　　單調(diào)諧濾波器電路原理如圖1所示，由電容器,、電抗器,、電阻器串聯(lián)組成。h次單調(diào)諧濾波器阻抗為：

　　其中,，Rh,、L、C分別為濾波器的電阻,、電抗和電容,；w1為系統(tǒng)工頻角頻率；h為諧振諧波次數(shù),。

　　在調(diào)諧狀態(tài)下,，Zh=Rh。由于Rh很小,，h次諧波電流主要由Rh分流,，很少流入電網(wǎng)中，從而起到濾除h次諧波電流的目的,，同時使對應的諧波電壓大幅度降低,。而對于其他次諧波，濾波器呈現(xiàn)較大的阻抗,，分流很小,。

　　1.2 參數(shù)確定

　　由于三相濾波器各相相同，所以只研究一相的參數(shù),。假設(shè)濾波器基波無功補償量為Q1,，則：

　　其中U1為交流母線電壓基波分量,。由于裝有濾波回路的各次諧波電流都被濾掉，母線電壓中不含有這些次數(shù)的諧波,，而其他次數(shù)的諧波分量一般很小,，可以忽略，即可認為母線電壓只含基波分量,。

　　由式(2)可以確定電容器C值為：

　　單調(diào)諧濾波器的品質(zhì)因數(shù)較大,，一般為30～60。q值越大,，Rh越小,，濾波器損耗也就越小，但是濾波器對失諧的靈敏度越高,。因此,，需要結(jié)合系統(tǒng)的特點選擇合適的q值[5-7]。

2 二階高通濾波器的設(shè)計

　　2.1 工作原理

　　二階高通濾波器電路原理如圖2所示,，其阻抗為：

　　取Rh=1 Ω,，C=2 590 ?滋F，則|Zh|隨hw1變化曲線如圖3所示,，該曲線在某一很寬的頻帶范圍內(nèi)呈現(xiàn)為低阻抗，形成對次數(shù)較高諧波的低阻抗通路,，使得這些諧波電流大部分流入高通濾波器,。高通濾波器的阻抗受系統(tǒng)頻率變化的影響很小，也不靈敏,，但損耗較單調(diào)諧濾波器大,。

　　2.2 參數(shù)確定

　　工程應用時，為了簡化計算,，通常采用單調(diào)諧濾波器C,、L確定方法確定電容和電感值，即式(3)和式(4),。但品質(zhì)因數(shù)除外,，為相應單調(diào)諧濾波器q的倒數(shù)，一般取0.7～1.4,。

3 濾波器各支路無功補償容量的分配

　　通常濾波器由多個濾波支路構(gòu)成,，如何將無功功率合理分配至各濾波支路是非常重要的問題，也是保證濾波器總體濾波效果的關(guān)鍵之一,。設(shè)濾波器總無功補償容量為QC1,，可由式(8)確定。

　　式中：P1為負載基波平均有功功率,，cos?漬1為補償前負載基波平均功率因素測量值或設(shè)計值,，cos?漬2為補償后基波平均功率因素設(shè)計值,。

　　為了使各個濾波器支路電容器承受諧波電壓基本一致，在工程應用中可按式(9)確定各支路無功補償容量：

　　Q為第hi次濾波支路分配的基波補償容量,，I/hi為第hi次濾波支路需濾除的諧波電流與諧波次數(shù)比值,，(I/hj)為所有濾波支路需濾除的諧波電流與諧波次數(shù)的比值和。

4 等離子體點火器諧波治理仿真實例分析

　　某用戶供配電系統(tǒng)如圖4所示,。該系統(tǒng)有2個電壓等級(10 kV,、0.38 kV)，由10 kV母線1供電,；有一臺2 000 kVA兩繞組變壓器,，阻抗百分比為6.25%，阻抗比X/R=10.67,；500 kVA等離子體點火器為諧波源負載,，實測功率因數(shù)為0.65，它產(chǎn)生的諧波電流通過變壓器注入PCC處,；1 200 kVA等效負荷由80%電動機負荷和20%靜態(tài)負荷構(gòu)成,，功率因數(shù)為0.85；電纜長度為27 m,，阻抗為0.018 4+j0.018 2 Ω/km,。采用PSCAD仿真軟件建立電氣元件模型，進行濾波方案的設(shè)計,，并且觀察濾波效果,。

　　4.1 諧波測試

　　依據(jù)GB/T 14549-1993，對該用戶進行了諧波測試,，測試時間為24 h,，測試儀器為美國電力士電能質(zhì)量分析儀（儀器編號 PVUSIA157、PVUSIA158）,，測試點（諧波監(jiān)測點1和諧波監(jiān)測點2）位置如圖4所示,，諧波測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示,，電壓,、電流波形及頻譜如圖5～圖10所示。由于5,、7,、11、13,、17等次諧波的存在,，電壓、電流波形發(fā)生了嚴重的畸變,。

　　4.2 諧波電流限制指標

　　PCC處最小短路容量為143MVA,，供電容量為31.5MVA,，用電容量2MVA。根據(jù)GB/T 14549-1993計算該用戶在PCC處的諧波電流限制指標（10 kV）,，如表3所示,。

　　4.3 諧波電壓限制指標

　　根據(jù)GB/T 14549-1993，電力系統(tǒng)正常運行條件下,，用戶接入10 kV PCC處母線的電壓總諧波畸變率THDU不大于4.0%,，其中奇次諧波含有率HRUh不大于3.2%，偶次諧波含有率不大于1.6%,。

　　由上述數(shù)據(jù)可知,，在用戶PCC處：5次、7次,、11次,、13次、17次,、19次,、23次及25次諧波電流的發(fā)射量均超過國標限值；母線電壓總諧波畸變率超過國標限值,。因此,，需要對等離子體點火器產(chǎn)生的諧波電流進行濾波處理。針對該設(shè)備的諧波電流發(fā)射量,，在母線3處并入5,、7、11,、13次單調(diào)諧濾波支路各1個以及17次二階高通濾波支路1個。

　　4.4 濾波支路參數(shù)計算及仿真分析

　　4.4.1 濾波支路參數(shù)計算

　　設(shè)定負載功率因數(shù)從0.65補償至0.99,，負載有功功率為0.312 MW,，則按式（8）計算濾波器QC1=320 kvar。根據(jù)上述各次諧波電流發(fā)生量的大小,，按式（9）計算5,、7、11,、13,、17次濾波支路補償容量，如表4所示,。

　　根據(jù)上述無源濾波器設(shè)計方法計算可得,，各濾波支路的參數(shù)如表5所示。

　　4.4.2 仿真分析

　　在PSCAD中建立系統(tǒng)仿真模型,，單調(diào)諧濾波器和高通濾波器用R,、L,、C元件組合而成，并將其并到母線3處,，靠近諧波源負載,，以取得較好的濾波效果。運行仿真,，濾波以后的諧波電壓,、電流數(shù)據(jù)如表6和表7所示，波形如圖11～圖16所示,。監(jiān)測點1處和監(jiān)測點2處母線電壓總諧波畸變率分別為1.83%和4.12%,，均在國標限值范圍內(nèi)。對比濾波前后的電壓,、電流波形和頻譜,，可以看出，波形得到了較大的改善,，5次,、7次、11次,、13次諧波濾除效果明顯,，諧波電流殘留較少，其他次諧波得到了一定的抑制,，濾波器達到了預期的濾波效果,，同時濾波器發(fā)出320kvar容性無功，使負載功率因數(shù)補償至0.984,。

5 結(jié)論

　　電能質(zhì)量關(guān)系到電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展,，是實現(xiàn)節(jié)約型社會的必要條件之一。諧波作為電能質(zhì)量的一項重要指標,，直接反映了電網(wǎng)受污染的程度,。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟,、造價低廉等優(yōu)點,，是目前廣泛應用的諧波治理技術(shù)。

　　本文在充分了解單調(diào)諧濾波器和二階高通濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,，針對某用戶的等離子體點火器運行時向電網(wǎng)注入諧波電流,，導致電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變的問題,，使用電能質(zhì)量分析儀對現(xiàn)場諧波源負載處和PCC處進行了諧波發(fā)射量實測,，并設(shè)計了濾波器抑制諧波源負載產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，再利用PSCAD搭建仿真環(huán)境驗證濾波器濾波效果,。仿真結(jié)果表明,，所設(shè)計的濾波器有效抑制了5,、7、11,、13次諧波,，其他次諧波也得到一定的限制，注入PCC處的諧波電流滿足國家標準要求,，并且在濾波的同時還向電網(wǎng)注入容性無功,，改善了功率因數(shù)，避免了供電公司的考核和罰款,。

參考文獻

　　[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549-1993.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標準出版社,，1994.

　　[2] 吳竟昌，孫樹勤,，宋文南,，等.電力系統(tǒng)諧波[M].北京：水利電力出版社，1998.

　　[3] 王兆安,，楊君,，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

　　[4] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社,，2006.

　　[5] 張寧,，宋福根.單調(diào)諧濾波器設(shè)計及其在諧波治理中的研究[J].電氣技術(shù)，2008(7)：27-29.

　　[6] 邵宗岐.中頻電爐的諧波治理[J].電氣技術(shù),，2009(11)：58-63.

　　[7] 閤先華.電力系統(tǒng)中無源濾波器的仿真和分析[J].船電技術(shù),，2006(6)：29-31.