基于Matlab的府谷电厂空冷岛谐波治理

袁帅，马杰，韩德顺，孙树敏，王士柏

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力科学电力研究院，济南250003）

·电网技术·

基于Matlab的府谷电厂空冷岛谐波治理

袁帅1，马杰1，韩德顺1，孙树敏2，王士柏2

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力科学电力研究院，济南250003）

论述对空冷岛风机冷却系统谐波治理的意义及方法，研究对变频器谐波的治理方法，系统介绍有源滤波装置的主要工作原理。针对陕西府谷电厂空冷岛风机冷却系统提出装设滤波补偿装置的治理方案，主要包括有源滤波器装置和混合型有源滤波器装置等。通过搭建模型，进行Matlab仿真分析，仿真结果表明所提供的谐波治理方案具有良好的消谐滤波效果。

谐波治理；变频器；有源滤波装置；Matlab仿真

0 引言

电力电子器件是电力电子装置的核心。近些年来，各种新型功率器件，如IGCT、IGET、ETO等纷纷出现，许多变频器公司生产了不同拓扑结构的变频器，在一定程度上解决了高压、大功率的问题，但设备运行中产生的谐波问题并没有得到很好的解决。在选择变频器时，为了减小谐波对电网和电机及其负载的负面影响，要求变频器整流侧、逆变侧的总谐波畸变率要低，且各次谐波含量要尽可能少[1]。

陕西府谷电厂空冷岛风机冷却系统自运行以来，发生了变压器和电动机损坏事故，经测试研究发现，引起此类事故的主要原因是谐波污染严重影响了设备的正常工作，而谐波的主要来源是变频器和网侧。为此，应及时治理谐波，降低谐波对变压器和电动机等设备的损害，减少财产损失，确保空冷岛风机冷却系统安全运行。

1 谐波危害

产生谐波的设备主要是变频器，而变频器谐波是输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波。变频器谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，变频器谐波的幅值大小和谐波相对于基波的相位关系都是影响这个周期量的重要因素。通俗地说，基波频率是50 Hz，那么谐波就是频率为100 Hz，150 Hz，200 Hz，…，N×50 Hz的正弦波［2］。

谐波效应的危害主要有：引起谐振和谐波电流放大；谐波电流在电网上流动会产生有功功率损耗；引起旋转电机和变压器附加损耗和过热，产生机械振动、噪声和谐波过电压。

谐波对于府谷电厂空冷岛风机冷却系统主要的危害是造成变压器和风机的损毁事故，从而影响生产并造成相当大的经济损失。

2 主要谐波源治理原理

谐波治理谐波主要有3种方法：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1；三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波。针对府谷电厂空冷岛风机冷却系统，采取第一种方法，即在变频器侧装设谐波补偿装置来补偿谐波并对风机输入侧尖峰电压进行吸收的方式，更经济可行和易于实施。

2.1 变频器输入侧谐波治理方法

变频器输入侧谐波治理的具体方法包括：1）采用无源滤波器，既可补偿谐波，又可补偿无功功率，且结构简单、成本相对低廉。但是其只能对特定次谐波进行滤波，由于高次谐波的范围较大，需设置多个无源滤波支路，从而导致装置体积过大、损耗增加，并且无源滤波器的滤波效果受系统运行情况和外界环境的影响较大。2）采用有源滤波器，既可动态滤除各次谐波，又不会产生谐振。该滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网电抗的影响。用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流。

虽然有源滤波器相比无源滤波器造价更高，但是基于稳定性和补偿精度，对府谷电厂空冷岛风机冷却系统，主要采用有源滤波装置及吸收尖峰电压的辅助方式［3］。

2.2 有源滤波装置

有源滤波装置，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备［4］。

如图1所示为最基本的电力有源滤波器系统构成的原理图。图中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。电力有源滤波器系统由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两部分组成。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路3个部分构成。主电路目前均采用PWM变流器。

图1 APF系统后果构成原理

有源滤波器通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流［5］。

如果要求电力有源滤波器在补偿谐波的同时补偿负载的无功，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。

图2 单独使用的并联型电力有源滤波器

单独使用的并联型电力有源滤波器如图2所示。图中，指令电流运算电路是根据电力有源滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，核心是谐波和无功电路实时监测方法。电流跟踪控制电路是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。目前跟踪型PWM控制主要有瞬时值比较和三角波比较两种方式。

3 府谷电厂谐波治理方案与仿真研究

根据府谷电厂空冷岛风机冷却系统存在的谐波污染实际情况，提出对应治理方案，并进行仿真研究，通过数据和图像来客观反映各方案的治理效果［6］。

3.1 加装有源滤波装置仿真分析

建立仿真模型如图3所示［7］。

图3 加装有源滤波装置仿真模型

加装有源滤波装置前的400 V PC母线A相电流波形如图4所示。

图4 加装有源滤波装置前的400 V PC母线A相电流波形

加装有源滤波装置后的400V PC母线A相电流波形如图5所示。

加装有源滤波装置前后实效对比数据如表1所示。

图5 加装有源滤波装置后的400 V PC母线A相电流波形

表1 加装有源滤波装置前后实效数据对比

3.2 加装混合型有源滤波装置仿真分析

建立仿真模型如图6所示。

图6 加装混合型有源滤波装置仿真模型

加装混合型有源滤波装置前的400 V PC母线三相电流波形如图7所示。

图7 加装混合型有源滤波装置前的400 V PC母线三相电流波形

加装混合型有源滤波装置后的400 V PC母线三相电流波形如图8所示。

加装混合型有源滤波装置前后实效对比数据如表2。

图8 加装混合型有源滤波装置后的400 V PC母线三相电流波形

表2 加装混合型有源滤波装置前后实效数据对比

4 应用实例

府谷电厂在加装有源滤波装置（APF）后，前后工况对比明显，以1号机组空冷岛配电室A1主变压器为例，投入前后的电流、电压畸变率及谐波电流实测数据对比如表3所示。

表3 滤波器投入前后谐波电流实测数据对比

由表3可知，在滤波器投入前后，电流畸变率由47.8%降低为8.4%，电压畸变率由5.1%降低为1.6%，系统的电流及电压质量得到明显改善。

5 结语

研究了变频器的谐波治理方法，并系统介绍了有源滤波装置的基本原理，针对府谷电厂空冷岛风机冷却系统，提出了具体的治理方案。通过Matlab仿真系统进行了系统仿真，通过仿真数据和图形很直观地证明了本次谐波治理的有效性。对府谷电厂空冷岛风机系统谐波治理，采用混合有源滤波装置并对变频器输出的尖峰电压进行吸收的综合治理方案。APF投入后，各次谐波都得到了有效的抑制，电压畸变率也大幅降低，系统的电流及电压质量得到明显改善。所述谐波治理方法对空冷岛风机冷却系统中的变压器和风机保护起到积极作用，可达到减少事故发生概率的预期目标。

［1］吴竞昌.电力系统谐波［M］.北京：水利电力出版社，1988.

［2］宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析［M］.北京：中国电力出版社，1988.

［3］翁利民，张启春，舒立平，等.配电网高次谐波抑制方法的分析［J］.电力自动化设备，2000，20（3）：22-25.

［4］王群，姚为正，刘进军，等.谐波源与有源电力滤波器的补偿特性［J］.中国电机工程学报，2001，21（2）：16-20.

［5］陈继承，钱照明，吕征宇.大容量并联混合电力有源滤波器设计［J］.中国电机工程学报，2001，21（S1）：225-228.

［6］曾尚催，沈华，俞振利.基于MATLAB系统的信号FFT频谱分析与显示［J］.科技通报，2000，16（4）：241-246.

［7］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真［M］.北京：机械工业出版社，2006.

Air Cooling Island Harmonic Control in Fugu Power Plant Based on Matlab

YUAN Shuai1，MA Jie1，HAN Deshun1，SUN Shumin2，WANG Shibo2
（1.Shandong State Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The significance and method of the harmonic control of the air cooling island fan cooling system are discussed，inverter harmonic management methods are researched，and the main working principle of active power filter is introduced systematically.Aimed at the air cooling island fan cooling system of Shanxi Fugu power plant，management solutions of installing filter compensation devices have been put forward，which include active filter and hybrid active power filter devices，etc.By means of models building and Matlab simulation analysis，simulation results show that the proposed harmonic control schemes have good effects of harmonic elimination and filtering.

harmonic control；inverter；APF；Matlab simulation

TM761

A

1007－9904（2016）012－0001－04

2016-07-02

袁帅（1983），女，博士，工程师，从事新能源调度运行管理及新能源并网技术研究。