APF抑制电力谐波的策略分析

周 静，王雅静，刘 斌，胡 珊

(天津电气科学研究院有限公司 天津300300)

APF抑制电力谐波的策略分析

周 静，王雅静，刘 斌，胡 珊

(天津电气科学研究院有限公司 天津300300)

随着用电系统中非线性负载和冲击性负载的广泛应用，电网中的谐波问题日益严重，究其原因，在于其本身的非线性使电网电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的电压和电流。通过分析电力谐波的危害性，阐述了有源电力滤波器对谐波的抑制策略，从而得出APF是改善供电质量的有效装置的结论。

电力谐波 有源电力滤波器(APF) 谐波抑制策略

随着电力电子装置的广泛应用，电力系统的谐波问题变得越来越突出，究其原因在于其本身的非线性使电网电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的电压和电流。谐波电压和电流的出现，严重危害了公用电网及其系统的正常工作，也影响着人们的生活安全。

1 电力谐波的危害性

谐波产生的根本原因在于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性(正比)关系而造成的波形畸变。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递(如变压器)、变换(如交直流转换器)、吸收(如电弧炉)系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变，造成电能质量降低。

例如，在住宅小区供电中，3次谐波过大容易引发火灾、降低配电系统的安全等级、影响变压器正常工作、影响线路设备安全供电、缩短家用电器的使用寿命、影响通讯系统的正常工作、导致电力计量误差、损坏电力电容器。每个家庭中的电器都是3、5次谐波的主要谐波源，虽然单个电器的容量不大，但汇聚到小区干线上就会导致叠加的谐波电流，其危害是不容忽视的。

又如，大型商业综合体的电能质量也随着开业运行后商家用电设备的增加和改造而越来越低。电能质量下降的主要原因在于谐波污染，而谐波污染的主要来源为荧光灯具、气体放电灯、各种功率的电动机、电脑设备等。随着商业综合体用电量的增加，各个变压器的负载率开始提高，各种谐波污染源迅速增多。同时，低压电容补偿柜随着使用年限的增加，开始出现不同程度的老化现象，少数已经失效，而谐波污染更加剧了电容的老化。这些问题最终导致火灾的发生。

再如，在地铁等公共轨道交通中，谐波对供电系统的危害也是不容忽视的。谐波会对无功补偿系统产生干扰、降低功率甚至引起误跳闸、诱发谐振，使无功补偿电容器过热甚至击穿，以及造成继电保护装置误动作、影响电能计量等一系列危害。此外，因为地铁负荷靠近城市中心负荷，谐波注入电网会对邻近民用电网造成很大的干扰，也会对邻近的通信系统造成干扰，最重要的是如果对地铁控制中心的运营信号造成误差和延迟影响，就会导致电梯故障、停电、报警失灵乃至生命安全等一系列无法估量的损失。

电力谐波无处不在，会给人们的生活和生产安全带来隐患。因此，治理电力系统污染，减少和消除电网的谐波危害，提高电力系统运行的安全性及可靠性，保证供电质量，已成为电力系统迫切需要解决的问题。

2 APF抑制谐波的机理

电力系统谐波抑制是改善电能质量、净化电网的一个重要手段。目前，抑制谐波的主要途径是利用LC 滤波器和有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿，通常滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。

APF是采用现代电力电子技术和基于高速数字信号处理器(DSP)的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备(见图1)。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速DSP对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

图1 APF基本结构图Fig.1 Basic structure of APF

3 APF抑制谐波的实际策略与应用

APF的关键技术之一就是逆变器的脉冲宽度调制(PWM)技术，其电流控制方法主要有三角载波线性控制、滞环比较控制、单周控制、变结构控制、无差拍控制等。这几种APF控制策略各有特点：在电压矢量基础上实行滞环电流控制可在同样的控制精度下有效降低开关频率，减小APF的开关损耗；单周控制在1个周期内消除稳态、瞬态误差，具有反应快、抗电源干扰、控制电路简单等优点，是一种很有前途的控制方法；变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性；无差拍控制是一种全数字化的控制技术。

在APF的实际应用中，谐波治理不仅涉及到220,kV、110,kV、66,kV、35,kV、10,kV、6.3,kV等多个电压等级的高压配电系统的整体治理，还延伸到380,V、220,V、110,V的低压局部针对性精确治理，甚至需要进行设备控制单元和精密仪器设备的谐波干扰隔离保护，因此一般采用综合负载通用APF来有效地抑制谐波影响。这样的有源滤波器装置有着模块化系统，能够滤除2～25次各谐波功能，针对存在较多综合负载的系统，能够同时满足低通、高通、带通、带阻等多种滤波形式，自动跟踪补偿电网中变化的谐波电流，具备高度可控性和快速响应性，补偿性能不受电网频率波动影响，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。基于先进的抑制算法，能够在100,μs时间内计算出下一个开关频率的输出，故而响应速度不超过100,μs，对于变化较为频繁的谐波能够实行快速的补偿。

此外，可以同时治理配电网中多种常见的电能质量问题，如电流谐波、三相不平衡、电压闪变和功率因数超标等，改善电网供电质量，确保用户设备安全、可靠运行，降低能耗、提高效率。

4 结 语

APF可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中。根据应用对象不同，APF的应用可起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命、减少设备损坏等作用。同时，随着我国物联网技术的发展，结合有源电力滤波器的谐波检测、抑制方法以及谐波抑制方法策略的应用，以物联网云计算为基础的智能云控新技术，不仅能实现对设备本身参数设定、复位重启、故障预警与多重提示等的智能管控，还可以对所在变压器系统进行谐波与能耗数据的采集、远程云端分析控制和智能化运行管理等。由此可知，APF在抑制谐波方面的应用将迎来新的解决策略。

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Strategy Analysis of Power Harmonic Restrain by APF

ZHOU Jing，WANG Yajing，LIU Bin，HU Shan
(Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China)

With a wide application of nonlinear load and impact load in power system，the harmonic problem in power system becomes more and more serious.This is because the nonlinearity makes the distortion of harmonic containing voltage and current of the grid instead of a sine wave.Through analyzing the harm of electric power harmonic to people，this paper expounds the application of suppression strategy by active power filter(APF) on harmonic，and draws a conclusion that it is an effective device to improve power quality.

harmonic；active power filter(APF)；harmonic suppression strategy

TM81

：A

：1006-8945(2016)04-0046-02

2016-03-05