有源电力滤波器在改善电能质量中的研究

陈 德/ 钟志强 /何 锋

(1. 广东电网公司湛江供电局, 广东 湛江 524005; 2. 深圳市海思瑞科电气技术有限公司, 广东 深圳 518101)

1 引言

随着我国科学技术、社会经济的快速发展，用电需求不断提升，电能在工业生产与日常生活中扮演着日益重要的角色，人们对电能质量的要求也越来越高。理想公用电网提供的电压应是一固定频率和幅值的正弦波，而在实际电网中，由于非线性因素导致了谐波电流和谐波电压的出现，影响电能的正常使用。

如何进一步提高电能质量、有效地抑制电网中的谐波已引起广泛关注。许多专家和学者一直在研究和开发动态可调装置来解决电能质量问题，其中具有代表意义的是有源电力滤波器。从目前国内外的情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波治理，提高电能质量是今后的一个发展趋势。

2 有源电力滤波器简析

2.1 应用背景

谐波被公认为是公用电网的主要污染源，以往主要通过无源滤波装置进行治理。虽然无源滤波结构简单、可靠性高、容量大、成本低，但受限于滤波原理，传统滤波器不仅体积大、损耗大，只能消除特定次谐波，滤波效果受电网影响较大，还存在发生谐振的隐患。

伴随大功率电力电子开关器件的出现，瞬时无功理论体系的提出以及数字信号处理和控制技术的不断成熟，极大地促进了有源滤波的发展和应用。随着滤波效果的不断提升，有源滤波器成为治理谐波污染、提升电网电能质量的有效途径和重要趋势。

2.2 工作原理及分类

有源电力滤波器由电流跟踪控制电路、指令电流运算电路、驱动电路和主电路构成，其基本工作原理是通过检测补偿对象的谐波电流，产生与之大小相等而相位相反的电流，注入电网，从而达到实时补偿谐波电流的目的。随着有源电力滤波器的广泛应用，APF的种类也越来越多。在工程实践中，按接入电网方式的不同，有源滤波器可分为并联型、串联型和混合型。

并联型可看作受控电流源与负荷并联，适用于补偿电流型谐波源。串联型可看作以电压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变，适用于补偿电压型谐波源。结合PF硬件构成容易实现、价格低廉以及APF补偿能力较为全面等优点，形成了混合型APF装置，可以达到理想的补偿效果。

3 电力有源滤波器工程运用

3.1 常见谐波源分析

谐波不仅可按谐波次数分为奇次谐波和偶次谐波，也可以按照谐波来源不同进行区分。要提高电能质量，进行谐波治理，就必须对谐波源有充分的认识，了解谐波源的特点，有针对性地治理，才能取得效果。电网中谐波源大概可以分为三类：含有变压器等铁磁非线性谐波源、电弧炉等非线性冲击性负载、各种电力电子变换器。不同行业谐波源也不同，需要区别对待分别治理，及时发现及时治理，以减少谐波危害带来的损失。各行业谐波源简析表如图1所示。

图1 各行业谐波源简析表

3.2 谐波分类治理

谐波治理方案的选择应用涉及到诸多因素，常规项目可以根据使用的电能质量分析仪直接检测谐波电流。而对于新建项目，电气设计人员在设计阶段并不能获取足够的电气设备谐波数据，必须通过实践积累来判断。

“这种事连我都不信，你们还当真了。”一向自诩为爱和正义化身的夏霖听到这个传闻后就开始怀疑真实性。在同学们眼中，夏霖一直是个中二少女，但看过上百本奇幻小说的她却觉得自己是个魔法少女，天不怕地不怕。于是，她决定去现场一探究竟。

1)集中治理

适用于负载类型比较多的配电系统，非线性负载数量庞大、分散，并且单台非线性负载谐波含量较小。集中治理目前应用广泛，在母线上进行集中治理只可以保证公共电网的质量，谐波对企业内部电网的危害根本没有得到改善。

式中，S为变压器额定容量；U为变压器二次额定电压；I为谐波；THDi为总畸变率；K为负荷率。

2)就地补偿

适用于单点谐波含量较大，且分布较为分散的配电系统。考虑到各谐波测试点比较分散，谐波电流畸变率都很大，采用就地补偿的方案比较合适。就地治理不仅可以保证公共电网的质量，也能满足企业内部对电能质量的要求。

其谐波电流计算公式为：

4 电力有源滤波器工程治理分析

某大剧院项目中，因受到舞台灯光、舞台机械控制驱动系统等大量非线性负荷的谐波污染，大大降低了配电系统的供电电能质量，造成视频音响设备大量失真和舞台机械驱动及控制设备加速老化，严重影响舞台机械设备的使用安全，给大剧院低压配电系统带来巨大的危害及安全隐患。

4.1 电能质量谐波检测

项目共设六个测试点，位于负荷断路器的上口，谐波检测示意图如图2所示，测试数据如表1所示，谐波治理前波形、频谱图如图3所示。从测量数据可以看出，每个测试点的电流畸变率都非常高，三次谐波很大，严重的电流畸变会对剧院配电系统产生严重的影响，导致中线电流很大，可能会造成安全隐患，需要通过有效的谐波治理使整个系统工作在安全、稳定的环境中。其中，歌舞厅舞台灯光(1#)、舞台机械(3#)谐波污染最为严重，下文将着重描述。

表1 剧院项目谐波治理前后数据对比

4.1.1 舞台灯光谐波分析

大量的灯光设备损坏及调光设备的失控，无法保证演出效果。

4.1.2 舞台机械谐波分析

在舞台机械的电能质量测试中，其电流畸变率达到了73%，电流波形与标准的正弦波相差很大。经测试，谐波电流以3、5、7次为主。现场的三次谐波比较严重，导致中线电流较大，达到了120.5A。谐波会造成舞台机械驱动及控制设备的加速老化，严重时还会直接导致设备失控或烧毁，严重影响舞台机械设备的使用安全，并且大量增加了舞台机械日常维护的工作量，影响演出效果。

4.2 治理方案

根据电能质量的检测数据和分析，以及测试结果的不同，选择不同容量大小的有源滤波器，但设计采用有源滤波器时仍需留有一定裕量。考虑到各谐波测试点比较分散，谐波电流畸变率都很大，采用就地补偿的方案比较合适。

表2 剧院项目谐波治理前后数据对比

经过设备安装后的设备联调及单独适配调整，在试运行阶段进行了全部运行数据的采集。谐波治理前后数据对比如表2所示。采集到的数据结果表明，在有源滤波装置投入运行后，系统电能质量大幅提升，有源滤波装置运行正常，效果良好，达到了预期的补偿效果。

将谐波治理前后的舞台灯光的波形、频谱图对比可以发现(谐波治理后波形、频谱图如图4所示)，在波形图中电压和电流波形的畸变明显减少，接近标准正弦波。而在频谱图中，系统中主要的5次和7次谐波含量明显减小，高次谐波基本都得到了消除。

4.3 治理效益

在采用有源滤波器对谐波污染进行治理后，首先可以使配电系统得到的效益包括：

1)减少谐波含量，避免系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁，保证设备的正常运行；

2)减少线路的铜损以及中线电流线路损耗，提高线路带载能力、功率因数和供电质量；

3)减少控制设备和继电保护装置误动作或拒动作，提高供电的安全和可靠性；

4)减小变压器的附加损耗，降低噪声，提升变压器和配电线缆的带载能力。

综上，在系统严重的谐波污染得到治理后，系统整体运行效率将会得到提升，舞台灯光、机械设备的稳定运行也可以得到有力的保障，因此谐波治理对该剧院的效益十分巨大。

6 结束语

谐波是电能质量的核心问题之一，谐波治理是现代电力生产发展的迫切需要。有源电力滤波器成为治理谐波的有效工具，也是解决目前我国电能质量污染日益严重的有效措施。随着我国电力事业的发展，对电能质量的要求将不断提高，有源电力滤波器凭借巨大的技术优势和强大的功能最终必将得到广泛应用，通过APF进行电能质量治理有着巨大的市场潜力。

图3 剧院项目谐波治理前波形、频谱图

图4 剧院项目谐波治理后波形、频谱图

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