劉克程何瑞敏郭博（.神華準(zhǔn)池鐵路有限責(zé)任公司，山西朔州 06800；.神華神東煤炭集團(tuán)，陜西榆林 795；.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院，內(nèi)蒙古呼和浩特 0000）

供電系統(tǒng)諧波研究、分析與APF應(yīng)用

劉克程1何瑞敏2郭博3
（1.神華準(zhǔn)池鐵路有限責(zé)任公司，山西朔州 036800；2.神華神東煤炭集團(tuán)，陜西榆林 719315；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

本文簡(jiǎn)單敘述了高次諧波對(duì)電能質(zhì)量的影響及對(duì)設(shè)備造成的危害，闡述了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10kV系統(tǒng)諧波的要求及計(jì)算方法，并以某礦區(qū)10kV系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。針對(duì)電力系統(tǒng)中高次諧波配置有源電力濾波器（APF），可以消除諧波并補(bǔ)償無(wú)功，文中對(duì)APF的工作原理、優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)現(xiàn)階段研究APF控制方式的情況及發(fā)展趨勢(shì)作了說(shuō)明。

諧波 有源濾波器 供電系統(tǒng)

伴隨電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 各種新型電力電子設(shè)備廣泛被使用。新型電力電子產(chǎn)品改善著人們的生活中質(zhì)量，提高著企業(yè)的生產(chǎn)效率。但由于這些設(shè)備的非線性和多樣性特點(diǎn)， 產(chǎn)生大量的諧波并注入電網(wǎng)， 導(dǎo)致電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降，可能造成居民、企業(yè)用電設(shè)備的異常甚至損壞。

針對(duì)非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的危害日益嚴(yán)重，有源電力濾波器（APF）作為一種理想的諧波裝置，能夠?qū)︻l率和幅值均發(fā)生變化的諧波進(jìn)行消除，有源電力濾波設(shè)備優(yōu)于傳統(tǒng)無(wú)源濾波器，并在未來(lái)與智能控制結(jié)合的路上越來(lái)越遠(yuǎn)。

1　高次諧波危害

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多非線性電氣產(chǎn)品在生活、生產(chǎn)中應(yīng)用，如節(jié)能燈、變頻器、整流器等。這些非線性電氣產(chǎn)品給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重諧波污染問(wèn)題，大量高次諧波會(huì)引起電壓畸變，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱、設(shè)備損壞等問(wèn)題，對(duì)生活、生產(chǎn)用電造成很大隱患。其主要表現(xiàn)有：

（1）高次諧波使電氣設(shè)備如電機(jī)、電纜、變壓器等產(chǎn)生附件的諧波損耗，降低設(shè)備的使用效率，使絕緣線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。（2）高次諧波可以影響各種用電設(shè)備的正常運(yùn)行，引起設(shè)備機(jī)械振動(dòng)、噪音和過(guò)電壓，嚴(yán)重甚至損壞設(shè)備。（3）高次諧波會(huì)與電容器、高壓電纜的對(duì)地電容之間產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故。（4）高次諧波可能會(huì)導(dǎo)致通訊系統(tǒng)失靈、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，還可能會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表測(cè)量失真。

表1　諧波電壓限值

表2　注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

表3　hK系數(shù)取值

表4　一部膠帶機(jī)出線（平均值）

表5　大巷排水Ⅰ出線（平均值）

2　10kV系統(tǒng)高次諧波

2.1供電系統(tǒng)高次諧波允許電流

國(guó)標(biāo)《GB/T 14549-93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》［1］對(duì)10kV母線各次諧波限值要求（表1、2）：

諧波電流允許值當(dāng)系統(tǒng)公共連接點(diǎn)最小短路容量不同于上表基準(zhǔn)短路容量時(shí)，按公式（1）修正上表中的諧波電流允許值：

式中， Sk1——系統(tǒng)公共連接點(diǎn)最小短路容量，MVA

Sk2——基準(zhǔn)短路容量，MVA

Ihp——表2中第h次諧波電流允許值，A

Ih——短路容量為 Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A

注：當(dāng)系統(tǒng)短路容量不等于100MVA時(shí)，需根據(jù)公式（1）及表2數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)諧波電流允許值。

2.2高次諧波電流計(jì)算

兩個(gè)諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加當(dāng)相位角已知時(shí)按下式計(jì)算

式中，1hI——諧波源1 的第h 次諧波電流，A

Ih2——諧波源2 的第h 次諧波電流，A

coshθ——諧波源1 和諧波源2 的第h 次諧波電流之間的相位角

當(dāng)相位角不確定時(shí)可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中hK系數(shù)按表3選取

兩個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí)首先將兩個(gè)諧波電流疊加然后再與第三個(gè)諧波電流相疊加以此類推。

表6　變電站Ⅰ進(jìn)線（平均值）

表7　二部膠帶機(jī)出線（平均值）

表8　大巷排水Ⅱ出線（平均值）

表9　膠帶運(yùn)輸巷出線（平均值）

表10　變電站Ⅱ進(jìn)線（平均值）

表11　集運(yùn)膠帶機(jī)出線（平均值）

2.3實(shí)例

某礦區(qū)因諧波問(wèn)題，曾出現(xiàn)電容器爆炸、電纜發(fā)熱、變壓器響聲異常等情況，給礦區(qū)生產(chǎn)埋下安全隱患，對(duì)企業(yè)財(cái)產(chǎn)、人身安全來(lái)帶嚴(yán)重威脅。

為測(cè)定系統(tǒng)中諧波含量，特制定采集方案：首先采用FLUKE 435型電能質(zhì)量分析儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)量數(shù)據(jù)選?。弘妷簲?shù)據(jù)取10kV側(cè)測(cè)量PT的二次回路試驗(yàn)端子接入電能質(zhì)量分析儀的電壓輸入端；電流數(shù)據(jù)取自10kV母線測(cè)量CT的二次回路試驗(yàn)端子接入電能質(zhì)量分析儀的電流輸入端。采集數(shù)據(jù)如下：

以3次諧波為例計(jì)算方式如下：

首先確定系統(tǒng)基準(zhǔn)短路容量，得到諧波電流允許值。如系統(tǒng)基準(zhǔn)短路容量是100MVA，系統(tǒng)諧波電流允許值為表2電流允許值；系統(tǒng)基準(zhǔn)短路容量不是100MVA，則利用公式（1）計(jì)算出諧波電流允許值；（實(shí)例礦區(qū)系統(tǒng)基準(zhǔn)短路容量為100MVA）

再將表4至表11中3次諧波電流測(cè)試數(shù)據(jù)，按照兩個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí)首先將兩個(gè)諧波電流疊加然后再與第三個(gè)諧波電流相疊加的方式，以此類推代入公式（3）。

各次諧波經(jīng)過(guò)計(jì)算，某礦區(qū)10kV電力系統(tǒng)中總諧波電流為：3 次6.6A，5次20.3A，7次8.4A，11次6.9A，13次5.1A，與表2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14549-93》限值比較可知， 5次諧波超標(biāo)。

3　有源電力濾波器（APF）

3.1有源電力濾波器（APF）原理

有源電力濾波器（APF：Active power filter）進(jìn)行可以對(duì)電力系統(tǒng)中諧波進(jìn)行治理，APF是一種用于動(dòng)態(tài)消除諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，APF適用于不同頻率、不同大小的諧波抑制及補(bǔ)償。APF可以通過(guò)采樣線路中電流，分離出存在各次諧波和無(wú)功分量，根據(jù)諧波和無(wú)功量快速響應(yīng)，主動(dòng)輸出相應(yīng)大小、頻率和相位的電流，抵消系統(tǒng)中負(fù)載諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消諧及無(wú)功補(bǔ)償。

APF通過(guò)電力系統(tǒng)中電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，再通過(guò)APF內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)送控制信號(hào)給APF內(nèi)部的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），IGBT快速開(kāi)斷逆變裝置產(chǎn)生一個(gè)和系統(tǒng)中負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，使其流入電力系統(tǒng)與負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流疊加，達(dá)到消除諧波的目的。

APF分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，并聯(lián)型APF主要是消除電流諧波，串聯(lián)型APF主要是消除電壓諧波引起的問(wèn)題。

電力系統(tǒng)增加APF設(shè)備改善10kV系統(tǒng)電能質(zhì)量，消除系統(tǒng)高次諧波。APF裝置配置時(shí)需要考慮系統(tǒng)等效基波電流、容量，并為擴(kuò)能留有裕量。

3.2APF的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于電力系統(tǒng)諧波的治理，20世紀(jì)80年代前多采用LC濾波器，也稱無(wú)源濾波器。LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，但存在一定的缺陷。比如，無(wú)源濾波器的設(shè)置需根據(jù)電力系統(tǒng)的諧波頻率，且只能濾除特定諧波，并有可能存在與電力系統(tǒng)發(fā)生諧振。APF是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置。它能夠消除大小和頻率不同的諧波、并對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。APF裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；達(dá)到既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功的現(xiàn)代工業(yè)要求［2］。

APF裝置的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以消除2-50次諧波，提高供電電能質(zhì)量；（2）消諧響應(yīng)速度快；（3）具備濾波功能和無(wú)功補(bǔ)償功能；（4）具備自我保護(hù)功能；（5）噪音小、損耗低。

APF裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量及用電客戶都起著重要的作用，如利用消除諧波、補(bǔ)償無(wú)功不僅保證了電能質(zhì)量，也減少了諧波對(duì)配電變壓器的損害，延長(zhǎng)變壓器使用壽命；減少了事故停電，保障供電的安全性、穩(wěn)定性；減少了諧波對(duì)配電設(shè)備的損害，降低維護(hù)工作量和維護(hù)檢修費(fèi)用，同時(shí)有效延長(zhǎng)居民用電設(shè)備的壽命，減少居民的經(jīng)濟(jì)損失；補(bǔ)償諧波無(wú)功功率，同時(shí)保障基波無(wú)功功率補(bǔ)償，減少電能損失，提高供電能力［3］。

3.3APF的發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展，智能控制方法將逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。將智能控制方法用于控制有源電力濾波器（active power filter，APF）可大大提高APF 的各項(xiàng)性能。APF利用并聯(lián)型和串聯(lián)型及系統(tǒng)情況可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)論什么樣的結(jié)構(gòu)，APF的控制部分的選取是至關(guān)重要的，這決定著能否獲得優(yōu)良的補(bǔ)償特性。APF起初將脈寬調(diào)制（PWM）的實(shí)現(xiàn)方法作為控制方法，包括三角波比較法、空間矢量法、滯環(huán)控制法、特定消諧PWM 法等。隨著工業(yè)的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量提出更高的要求，對(duì)電網(wǎng)的諧波限制也越來(lái)越嚴(yán)格，常規(guī)的PWM控制方法已難以滿足要求。伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展APF-控制方法出現(xiàn)了重復(fù)控制、模糊控制、常規(guī)比例積分控制、無(wú)差拍控制、變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其中模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等屬于智能控制方法，是控制論、系統(tǒng)論、信息論和計(jì)算機(jī)技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)物，在處理實(shí)時(shí)變化、復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

APF的控制方法是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而智能控制方法則是研究的重點(diǎn)。目前，智能控制在APF中的應(yīng)用正逐步進(jìn)入實(shí)踐階段，其應(yīng)用研究已有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在APF自動(dòng)控制中，存在著大量的優(yōu)化問(wèn)題，隨著對(duì)APF性能要求的提高，利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，之后控制輸出最合理的電流及無(wú)功，這對(duì)APF研究是一項(xiàng)有意義的工作。由于APF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的運(yùn)算量大，大部分文獻(xiàn)中都只給出仿真試驗(yàn)結(jié)果，但近年已有采用數(shù)字信號(hào)處理器控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。智能控制有源電力濾波器，絕大部分只是控制器的某個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用了智能控制方法，如電流環(huán)采用智能控制，而電壓環(huán)依舊采用常規(guī)比例-積分控制，因此APF整體性能的改進(jìn)在很大程度上會(huì)受到限制。如果全部環(huán)節(jié)均采用智能控制，理論上會(huì)很大程度的提高APF的性能，但由于實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜，這方面的應(yīng)用還需要進(jìn)一步深入研究。APF屬于非線性系統(tǒng)控制，將智能控制方法和非線性控制方法相結(jié)合更能提高APF的性能，將來(lái)會(huì)是一個(gè)較有前途的發(fā)展方向［4］。

4　結(jié)語(yǔ)

非線性負(fù)載的應(yīng)用會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波，對(duì)供電質(zhì)量造成污染，按照國(guó)標(biāo)對(duì)電能質(zhì)量的要求，應(yīng)用APF設(shè)備消除諧波，改善電能質(zhì)量，從而消除由諧波引起的各種故障和事故，能為人們的生活、安全生產(chǎn)帶來(lái)有力保證。APF作為諧波消除提高電能質(zhì)量的有效設(shè)備的一種，在我國(guó)隨著電能質(zhì)量治理的深入，逐步在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和市場(chǎng)銷售被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)，隨著各種電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展及使用，智能控制的深入研究，APF具有很大的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。

［1］ GB/T14549—93，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］程少煒，潘斌，張挺，邱書(shū)明，陳宗源.APF諧波抑制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2012（5）：42.

［3］張新，吳超，牛冠清.有源電力濾波器APF在小區(qū)配電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2013（24）.

［4］王曉剛，謝運(yùn)祥，帥定新.智能控制方法應(yīng)用與APF的綜述與展望［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008（4）.

劉克程（1983—），男，漢族，內(nèi)蒙古烏海人，工程碩士，工程師，研究方向：電氣工程及變配電技術(shù)；何瑞敏（1983—），男，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，本科，工程師，研究方向：電子與通信技術(shù)；郭博（1984—），女，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：風(fēng)能太陽(yáng)能應(yīng)用。