工厂企业配电网中谐波治理及相应技术措施的研究

卢洪亮

（江苏中圣高科技产业有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

谐波是配电网中隐形的、最具危害力的杀手，尤其是随着电力电子技术的发展和进步，工厂企业中电力电子换流装置、电弧炉等设备逐渐引入，使得非线性电力负荷急剧增加，由此造成的谐波污染问题日趋严重。谐波的存在将引发供电电压波形的畸变，降低电网生产、传输、供电的质量和效率，且配电网中谐波频率与谐振频率近似时，可能诱发并联谐振、串联谐振[1]，进而产生大幅度、宽范畴的过电压、过电流问题，造成电压互感器、电力变压器、电动机等设备过热，加速老化、缩短设备使用寿命，甚至出现爆炸、烧毁等事故，从根本上影响配电网的安全经济运行。可见，深入探究谐波产生机理，采取有效措施进行治理与防控是降低谐波干扰与危害的关键所在，而电力电子换流装置作为工厂企业配电网中最主要的谐波污染源，将其列为治理重点，利用变压器将有源、无源电力滤波器串联再与配电网并联，形成新型的混合治理结构，并针对治理中存在的问题，进行技术优化，以获得更好的谐波治理效果。

1 谐波的成因

目前关于谐波的概念，通说认为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍”[2]，因为谐波频率远远高于基波频率，又将其称为高次谐波。正常状态下，配电网中的电流和电压均为正弦波，施加的电压和经过的电流仅在含线性元件的简单电路中成正比，在对配电网施加正弦基波电压时，非线性设备所吸收的电流与施加的电压之间存在差异，无法形成线性相关，非正弦波形的相位、频率或幅值发生不同程度的偏移，也即波形畸变，进而导致谐波污染[3]。究其根源，谐波的关键成因在于非线性负载，尤其电力电子变压器是引发谐波的关键因子，因其主要由特定的磁性材料构成，其磁性变化曲线呈现非线性特质，在特定运行条件下，该设备的铁心将出现饱和问题，而且，基于经济性的设计考量，工作磁密更倾向于选择在电力变压器的磁化曲线工作在近饱和区段上，各因素综合作用下，磁化电流将呈现尖顶波形，由此便会产生谐波。

2 配电网中谐波治理方法

2.1 谐波治理措施

目前，最常采用的方法是通过增设无源电力滤波器或有源电力滤波器等谐波抑制装置，来吸收谐波源中的谐波电流，以达到谐波治理的目的。有源滤波器可对频率、大小动态变化的谐波进行补偿[4-5]，且不受配电网频率、阻抗的影响，效率高，补偿性好，而鉴于工厂企业配电网的电压等级高、电流大，需要进行高压、大容量谐波补偿，单独使用有源滤波器，容量要求和制造成本太高，而混合使用两种滤波器，可弥补各自缺点，但以往的并联混合型有源电力滤波器结构中，注入有源电力滤波器的补偿电流可能经由滤波通道流入无源电力滤波器，增加其负担，也削减了谐波补偿性，而串联混合型有源电力滤波器结构中，无源滤波器无法滤除全波谐波，并由有源滤波器强制其存留其中，这势必使得负载端产生谐波电压，进而引发谐波电压与谐波电流此消彼长的问题[6]。因此，可先将通过变压器将有源、无缘两种电流滤波器串联，然后再并联入配电网，由此构建的混合型有源电力滤波器结构如图1所示，优于串联混合型治理方案，由无源滤波器承载配电网大部分基波电压，而有源滤波器则只分担小部分，耦合变压器只流经负载谐波电流和极少的基波电流，缩减了有源滤波器的容量。

图1 混合型有源电力滤波器结构Fig.1 Structure of hybrid active power filter

2.2 谐波电流的检测算法

有源电力滤波器作为谐波的动态补偿装置，其跟踪、补偿特性受谐波电流检测效率、精准度的影响，而通过对比分析，ip,iq算法具有运算简单、计算量小、功能灵活多变等优势性，可将三相瞬时基波正序有功电流、基波正序无功电流、基波负序和高次谐波电流等快速的分离[7-8]，无需确定三相电路的瞬时电流、配电网电压的频率、幅值和初始相位信息，简化了外部信号检测电路，但该算法需要同时提取谐波、无功分量，增加了运算量、时延性，为此，可采用分频检测方法去除三相至两相坐标变换及逆变换，对算法进行改进。在检测单相电流时，设定电网单相瞬时负载电流为[9]：

上式中，ip为瞬时基波有功电流分量，iq为基波无功电流分量，ih是不同次谐波分量的和，In、Φn分别为n次谐波电流幅值、谐波相位，将上式两边均乘以2cosωt或2sinωt,分别得出[10]：

结合公式（2）、（3）可知，需要利用一个比基波频率低的截止频率低通滤波器，才可获得ip、iq分量。

有源滤波器的逆变器直流侧电压应该保持恒定，提供一个电压基准，才可以对谐波电流进行有效补偿[11]，但是因为要对补偿电流、负载谐波电流进行控制、跟踪，其固有线路电阻、开关损耗、工作状态切换均会引发功率损耗，进而导致直流侧电压波动或欠压，为此，需要设定一个直流电压反馈环节，来确保直流侧电压Udc的恒定，并将其与参考电压Udc*的差值经由PI控制器，将其与ip合成，最终实现Udc的稳定。

逆变过程中，以合成的IP与cosωt相乘，可获得瞬时基波有功电流分量：

结合上述分析，可获得补偿参考电流：

将iq运算通道断开，此时可对谐波和无功功率进行同时检测，而为了剔除畸变电压的谐波成分，将运用PLL锁相回路对A相配电网电压ua进行跟踪，可见，该检测方法简化了计算流程，可规避畸变电压的影响，确保了谐波检测的跟踪准确性和谐波动态补偿特性，其应用原理如图2所示。

图2 改进的ip、iq检测算法原理Fig.2 Detection algorithm principle of improved ip、iq

3 结论

工厂企业配电网的拓扑复杂、负荷分散，传统的谐波治理及检测算法已经无法适应新要求，针对并联、串联混合结构的弊端性，根据有源滤波器高效率、动态补偿特性，以及无源滤波器在高压、大功率补偿中的优势，引入了一种新型混合结构的有源滤波器，并对ip、iq检测算法进行优化，化解了三相四线制系统中零序谐波泄露的问题，提升了谐波检测的跟踪、检测精度。