楊 興

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北張家口075051)

0 引言

利用無功功率補(bǔ)償技術(shù)來挖掘現(xiàn)有電力資源潛力，能夠迅速有效地節(jié)約大量的電力能源?，F(xiàn)代社會(huì)如工廠車間、公寓大廈、居民小區(qū)、寫字樓、酒店商廈等廣泛使用的非線性負(fù)載如計(jì)算機(jī)、變頻器、微波爐、電磁爐、整流器、UPS電源、電子調(diào)速裝置、節(jié)能燈系統(tǒng)等電力電子設(shè)備和電器設(shè)備，其基波功率因數(shù)較低，而且還會(huì)產(chǎn)生大量諧波。［1］諧波可使無功功率上升，電能質(zhì)量明顯下降，其危害十分嚴(yán)重。［2］無諧波已成為“綠色電力系統(tǒng)”的主要標(biāo)志。

目前我國電網(wǎng)中采用的無功功率補(bǔ)償與諧波抑制技術(shù)，屬于“分而治之”。即無功功率補(bǔ)償與諧波抑制采用兩套設(shè)備，每套設(shè)備各自完成自己的功能，二者沒有有機(jī)地結(jié)合在一起。這種控制方案使得設(shè)備體積龐大，投資偏高，二者相互干擾不易消除。有的文獻(xiàn)雖然提出消除諧波即可提高功率因數(shù)，但是忽略了濾波器可以有效減小因諧波帶來的無功損耗，卻不能有效調(diào)節(jié)基波功率因數(shù)這一事實(shí)。

另一方面，不論是無功功率補(bǔ)償還是諧波抑制，我國理論和實(shí)踐均偏重于變配電所集中補(bǔ)償和集中抑制，有的雖然注意到就地補(bǔ)償和抑制，但只是針對大型和超大型設(shè)備。這種方式與分散補(bǔ)償和分散抑制的源頭治理相比，不但加大了技術(shù)難度，其治理效果也大打折扣。在用戶終端配電箱處進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制，可以降低電力系統(tǒng)綜合造價(jià)，減小集中濾除和補(bǔ)償方式帶來的技術(shù)難度。

本文提出一種在用戶終端配電箱處進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制有機(jī)統(tǒng)一的治理方案，旨在提高治理效果，減小設(shè)備體積，降低設(shè)備成本。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 消諧及無功補(bǔ)償綜合方案

諧波治理包括采用無源濾波器(PF)和有源電力濾波器(APF)濾除諧波。無源濾波器也稱LC濾波器，是我國目前電網(wǎng)中大量采用的諧波抑制設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，容量大，成本低，但其只能對某一固定頻率的諧波有較好的濾波效果。有源電力濾波器消諧的原理是，實(shí)時(shí)制造一個(gè)與諧波電流大小相等相位相反的電流，以便消除諧波電流。有源電力濾波器濾除諧波效果比無源濾波器好，但其電路復(fù)雜，成本較高，在我國尚處于市場培育階段。［3］有源電力濾波器可以有效減小因諧波帶來的無功損耗，但不能提升基波功率因數(shù)。若采用有源電力濾波器濾波加LC無功補(bǔ)償“分而治之”的方案，勢必增加設(shè)備體積和投資，在終端配電箱處安裝這樣的裝置性價(jià)比不高。本文提出的調(diào)壓狀態(tài)下的磁閥式可控電抗器串聯(lián)電力電容器并聯(lián)型濾波器，具有“一箭雙雕”的功能，它既能提升基波功率因數(shù)又能濾除諧波，使二者有機(jī)地統(tǒng)一起來，符合電力系統(tǒng)節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展趨勢。

研究表明，電力用戶終端配電箱處通常顯感性，需補(bǔ)償容性無功以提高功率因數(shù)。

設(shè)由LC串聯(lián)組成的并聯(lián)型n次諧波濾波器，其固有頻率為fn，電感量L，電容量C，電源電壓基波頻率為f，n次諧波通過時(shí)的感抗和容抗分別為XLn和XCn。

則有:fn=n·f;

當(dāng)基波電壓加在該LC濾波器上時(shí)，感抗和容抗分別變?yōu)?

即:XC=n2·XL，亦即 XC》XL

因此，由LC串聯(lián)組成的并聯(lián)型任何次諧波濾波器對基波均顯容性。也就是說，由LC串聯(lián)組成的并聯(lián)型任何次諧波濾波器對于基波電流可等效為固定容量電容器。

如果直接把LC串聯(lián)組成任何次諧波濾波器與負(fù)載并接在電源當(dāng)中兼做無功補(bǔ)償器使用，因其等效電容量固定不變，故基波功率因數(shù)不能調(diào)節(jié)。我們知道，在電容容量不變的條件下，改變施加于補(bǔ)償電容器的電壓就可改變?nèi)菪噪娏?，即可調(diào)節(jié)電源功率因數(shù)。調(diào)壓后的濾波器，由于其固有頻率不變，濾除某次諧波的功能仍未發(fā)生改變。這樣，接于調(diào)壓器上的LC濾波器就可兼做無功補(bǔ)償器使用，這就是本文提出的無功補(bǔ)償和諧波抑制有機(jī)統(tǒng)一的治理方案。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于頻偏的存在，使得LC濾波器不能很好地工作于諧振點(diǎn)上，影響了濾波效果。近年來，磁閥式可控電抗器在我國得到廣泛的關(guān)注。因其具有的特殊結(jié)構(gòu)，電感量連續(xù)可調(diào)，較小的諧波及近似線性的伏安特性，開始被應(yīng)用于無功補(bǔ)償當(dāng)中。［4］在智能控制器的控制下，由磁閥式可控電抗器串聯(lián)電力電容器所組成的濾波電路，通過自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電感量，能夠自動(dòng)跟蹤適應(yīng)頻偏等因素的影響，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的濾波。［5］圖1為用戶終端配電箱處無功補(bǔ)償和諧波抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 用戶終端配電箱處無功補(bǔ)償和諧波抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)分別由必選的接于終端配電箱電能計(jì)量裝置出口處的三相四線無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊1個(gè)、接于無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊下口的若干個(gè)n次諧波濾波模塊和n個(gè)任選無功補(bǔ)償電容器模塊組成。諧波濾波模塊次數(shù)和數(shù)量由具體電路中所測定的諧波次數(shù)及其是否超過GB14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)而定。例如，某住宅樓電表箱處諧波高峰期測得的50次諧波有奇次諧波和偶次諧波，其中5次和11次諧波超標(biāo)。因此，在該處需要裝設(shè)三相四線無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊1個(gè)，5次和11次諧波濾波模塊各1個(gè)。無功補(bǔ)償電容器模塊可設(shè)計(jì)成不同容量(由不同數(shù)量容量的電容器并聯(lián)組成)，以適應(yīng)不同負(fù)載提高功率因數(shù)的要求。如果僅有若干個(gè)n次諧波濾波模塊即可滿足提升基波功率因數(shù)的要求，則無功補(bǔ)償電容器模塊不作為選項(xiàng)，否則應(yīng)根據(jù)無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊所顯示的基波功率因數(shù)值選用相應(yīng)容量的無功補(bǔ)償電容器模塊。

模塊化結(jié)構(gòu)有利于無功功率補(bǔ)償及諧波綜合治理設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，并且能夠方便地安裝于終端配電箱;模塊化結(jié)構(gòu)是在保證補(bǔ)償和諧波消除效果符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上“量身定做”的電路，沒有多余部分，有很強(qiáng)的針對性，降低了設(shè)備成本。

1.2 無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊控制方案

由于三相四線制線路中單相負(fù)載(如民用建筑內(nèi)的單相負(fù)載)的差別性以及工作的隨機(jī)性，使得終端配電箱處無功補(bǔ)償與諧波治理產(chǎn)生了不確定性。單靠預(yù)期性設(shè)計(jì)，很難達(dá)到預(yù)期效果。工程實(shí)踐中，只能采取預(yù)期性設(shè)計(jì)加現(xiàn)場測試安裝的方法才能達(dá)到有效提升功率因數(shù)以及諧波濾除的目的。

由于無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊是一個(gè)必選模塊，因此，它除了具備為若干個(gè)n次諧波濾波模塊和n個(gè)任選無功補(bǔ)償電容器模塊調(diào)壓以產(chǎn)生合適的基波容性電流功能外，還應(yīng)具有接點(diǎn)功率因數(shù)顯示、各次諧波含有率及畸變率顯示功能。通過各次諧波含有率及畸變率顯示，來確定系統(tǒng)采用哪幾次諧波濾波模塊。連接系統(tǒng)運(yùn)行后，再通過無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊觀察消諧效果及功率因數(shù)值，如果功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，再估算需要懸掛的無功補(bǔ)償電容器模塊容量和數(shù)量。不斷修正系統(tǒng)參數(shù)以達(dá)理想效果。圖2為無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊檢測顯示控制原理框圖。

系統(tǒng)工作原理是:三相四線電壓和電流分別經(jīng)電壓互感器和電流互感器信號衰減采樣送入ADE7880計(jì)量芯片，經(jīng)過處理計(jì)算得出各相電壓、電流有效值，有功 /無功 /視在功率、功率因數(shù)，各相電壓 /電流的各次諧波含量、各相電壓 /電流的總諧波失真(THD)。這些信號再通過ADE7880與STM32F103接口，傳遞給STM32F103高性能32位微處理器。微處理器在顯示以上參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)編制程序中功率因數(shù)與可控硅觸發(fā)導(dǎo)通角關(guān)系數(shù)據(jù)表查出實(shí)時(shí)功率因數(shù)所對應(yīng)的導(dǎo)通角，改變PWM輸出信號，繼而改變雙向可控硅導(dǎo)通角，以改變輸出電壓進(jìn)而改變?nèi)菪噪娏?，最終使功率因數(shù)符合要求。

圖2 無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊檢測顯示控制原理框圖

1.3 諧波濾波模塊控制方案

根據(jù)GB/T12325-2008《電能質(zhì)量》規(guī)定，300萬千瓦以上電力系統(tǒng)，允許頻率偏差為 ±0.2HZ;300萬千瓦及以下電力系統(tǒng)，允許頻率偏差為 ±0.5HZ。對于終端配電箱處執(zhí)行 ±0.5HZ頻率偏差。也就是說，電源基波頻率可以在49.5HZ ～50.5HZ之間。因此，對應(yīng)的n次諧波相應(yīng)在49.5nHZ～50.5nHZ之間。所以，只有讓磁閥式可控電抗器串聯(lián)電力電容器所組成的濾波電路實(shí)時(shí)跟隨電源頻率的變化，才能有效濾除n次諧波。諧波濾波模塊控制電路原理框圖如圖3所示。

圖3 諧波濾波模塊控制電路原理框圖

其工作原理如下:頻率的測量實(shí)際上就是在1s時(shí)間內(nèi)對信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值就是信號頻率。首先對來自于無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊PT和濾波器模塊CT的電壓、電流信號放大整形、A/D轉(zhuǎn)換，變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號，時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號，分頻后控制計(jì)數(shù)與保持狀態(tài)。高電平時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，低電平時(shí)保持，數(shù)據(jù)送入鎖存器進(jìn)行鎖存顯示。同時(shí)，根據(jù)軟件中諧波偏頻與可控硅觸發(fā)導(dǎo)通角關(guān)系數(shù)據(jù)表查出實(shí)時(shí)頻率所對應(yīng)的導(dǎo)通角，改變觸發(fā)脈沖輸出信號，繼而改變磁閥式可控電抗器可控硅導(dǎo)通角，以改變電抗器電感量，使濾波器始終工作在諧振點(diǎn)上。

2 實(shí)驗(yàn)分析

現(xiàn)有文獻(xiàn)的仿真結(jié)果表明，基于可控電抗器的可調(diào)諧濾波器能夠根據(jù)系統(tǒng)的變化，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)可控電感量，保證濾波器工作在諧振點(diǎn)附近。［5］調(diào)壓型低壓實(shí)時(shí)自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償，使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。［6］

本課題實(shí)驗(yàn):一臺(tái)聯(lián)想E49筆記本電腦、一臺(tái)榮事達(dá)BCD-190FR/A電冰箱;一個(gè)雙向可控硅無功補(bǔ)償調(diào)壓模塊、一個(gè)5次諧波濾波模塊;臺(tái)灣AFLEX6300繪圖式可撓性電力及諧波分析儀1臺(tái)。治理前后各次電流諧波含有率、功率因數(shù)值對照如表所示。

表治理前后各次電流諧波含有率(HRIh/%)、基波功率因數(shù)值(cosφ)對照

通過實(shí)驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，5次諧波濾波模塊能夠較好地濾除線路中負(fù)載產(chǎn)生的5次諧波，但同時(shí)使得其余奇次電流諧波含有率(HRIh/%)增加。這是由于調(diào)壓模塊采用了雙向可控硅斬波電路所致。［7］這說明，治理前不超標(biāo)的諧波，治理后可能超標(biāo)，必須安裝相應(yīng)模塊加以消除。另外，治理前后基波功率因數(shù)值(cosφ)確實(shí)得到提高，但距離標(biāo)準(zhǔn)要求尚有差距。所以，需要另外并聯(lián)補(bǔ)償電容器以使基波功率因數(shù)值(cosφ)達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)論

本文提出的“調(diào)壓狀態(tài)下的磁閥式可控電抗器串聯(lián)電力電容器并聯(lián)型濾波器”，在有效濾除相應(yīng)諧波的同時(shí)，還能夠有效提升基波功率因數(shù)值。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，便于安裝，降低成本。

［1］梁偉.常見家用電器諧波特性及功率特性分析［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2011，(24).

［2］韋漢菁.低壓系統(tǒng)中諧波的危害及抑制方案［J］.低壓電器，2011，(24).

［3］鐘山.有源電力濾波器技術(shù)與發(fā)展綜述［J］.變頻器世界，2011，(1).

［4］劉軍.磁閥式可控電抗器特性及其在無功補(bǔ)償中的應(yīng)用［J］.電力學(xué)報(bào)，2011，26(3).

［5］張趙忠.可調(diào)諧濾波器的仿真研究［J］.電力電容器，2007，28(5).

［6］黃冰.調(diào)壓型實(shí)時(shí)無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(增 1).

［7］蔡永華.家用電器產(chǎn)品中典型電路的諧波分析［J］.安全與電磁兼容，2007，(04).