趙婧初

（江蘇省徐州市擷秀中學(xué)，江蘇徐州，221000）

0 引言

隨著“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃的提出，電網(wǎng)建設(shè)向智能化綠色電網(wǎng)迅速發(fā)展，大量可再生分布式電源如太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等以及先進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備在電網(wǎng)的滲透率逐漸提高，電力電子變流器廣泛應(yīng)用到直流輸電系統(tǒng)與靈活交流輸電系統(tǒng)中，使得現(xiàn)代電網(wǎng)智能化水平不斷提高[1]，但與此同時(shí)也帶來(lái)一些不可忽視的弊端。電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷在電力系統(tǒng)的不斷滲透，導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為了保障電網(wǎng)電能質(zhì)量，順利推進(jìn)綠色電網(wǎng)的建設(shè)步伐，電網(wǎng)對(duì)諧波抑制技術(shù)提出更高要求。傳統(tǒng)諧波抑制技術(shù)主要為無(wú)源電力濾波器（Passive Power Filter，PPF）和有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），這兩種裝置均具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[2]。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種并聯(lián)混合型濾波裝置，采用諧波分頻控制方法對(duì)混合裝置有源和無(wú)源部分的濾波功能進(jìn)行分配，使其能協(xié)調(diào)運(yùn)行，結(jié)合有源與無(wú)源裝置優(yōu)點(diǎn)。最后，在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD中搭建仿真模型對(duì)所提裝置進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 諧波對(duì)電網(wǎng)安全節(jié)能運(yùn)行的影響分析

諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量。電弧爐、變頻器、LED燈等非線性負(fù)載的使用是產(chǎn)生諧波的主要原因。諧波的存在對(duì)綠色電網(wǎng)的安全節(jié)能運(yùn)行影響極為惡劣，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）增加系統(tǒng)損耗。諧波電流流經(jīng)用電器、線路以及變壓器等電氣設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的附加損耗，大大增加了電力公司的運(yùn)行成本和用戶的電費(fèi)支出。

（2）降低系統(tǒng)可靠性。諧波電流會(huì)導(dǎo)致變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備局部過(guò)熱，絕緣老化加快，大大縮短了變壓器、電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低供電可靠性。嚴(yán)重時(shí)，還有可能導(dǎo)致電氣火災(zāi)和用電中斷等嚴(yán)重后果。

（3）影響通訊。由于電磁感應(yīng)原理，當(dāng)信號(hào)線路與電網(wǎng)線路相距較近時(shí)，可能會(huì)形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合，諧波含量過(guò)大時(shí)可能會(huì)對(duì)通信線路產(chǎn)生聲頻干擾，導(dǎo)致信號(hào)正常傳輸受到影響。

2 傳統(tǒng)諧波抑制技術(shù)

2.1 無(wú)源濾波技術(shù)

無(wú)源濾波技術(shù)主要是指由電容、電感和電阻元件適當(dāng)組合而形成的無(wú)源電力濾波器。無(wú)源濾波器的基本原理是對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之與待濾除諧波的頻率相同，這樣通過(guò)分流作用將該頻率的諧波電流進(jìn)行濾除。無(wú)源濾波器通常與諧波源并聯(lián)，能對(duì)特定頻次諧波濾除并且兼具無(wú)功補(bǔ)償作用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

然而，由于無(wú)源濾波器具有固定的濾波頻率，所以只能對(duì)某一特定頻次的諧波進(jìn)行濾除，濾波效果較為單一。此外，無(wú)源濾波器受系統(tǒng)運(yùn)行情況影響明顯，對(duì)電網(wǎng)頻率和阻抗的變化敏感，可能會(huì)與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧振而導(dǎo)致諧波放大，造成一系列不良影響。

2.2 有源濾波技術(shù)

有源濾波技術(shù)是指能動(dòng)態(tài)抑制諧波的有源電力濾波器，它在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無(wú)源濾波技術(shù)的不足，能動(dòng)態(tài)濾除大小和頻率均變化的諧波電流，是一種非常理想的濾波裝置。最基本的并聯(lián)型APF的工作原理圖如圖1所示。APF并聯(lián)在電網(wǎng)和諧波源之間，主要由指令運(yùn)算電路與補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)模塊構(gòu)成，其中，補(bǔ)償電流發(fā)生電路包括電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分。在治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，首先檢測(cè)負(fù)載電流iL的諧波分量，將檢測(cè)到的負(fù)載諧波電流iLh取反，作為APF補(bǔ)償電流的指令值，這樣電源電流is中便只有基波分量ifL，諧波電流得以濾除[3]。

這個(gè)過(guò)程用可用下式表示：

圖1 并聯(lián)型APF的工作原理圖

APF可以在小容量諧波的場(chǎng)合產(chǎn)生良好的濾波效果，但是當(dāng)諧波容量較大時(shí)，對(duì)APF容量就會(huì)有較高要求，增加了裝置的成本和操作難度，經(jīng)濟(jì)性較差。

3 采用諧波分頻控制的混合濾波器設(shè)計(jì)

針對(duì)有源電力濾波器和無(wú)源電力濾波器的固有優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種APF與PPF聯(lián)合運(yùn)行的混合濾波裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)技術(shù)效果好，成本低的諧波抑制功能。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)中通常為了保障電能質(zhì)量，通過(guò)在諧波源或者配電變壓器低壓側(cè)裝設(shè)無(wú)源裝置進(jìn)行無(wú)功和特定頻次諧波補(bǔ)償，因此，為了合理利用現(xiàn)有設(shè)備，避免資源浪費(fèi)，本文所提混合濾波裝置可以通過(guò)在原有無(wú)源裝置側(cè)并聯(lián)有源裝置，通過(guò)適當(dāng)控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖2所示為APF與PPF并聯(lián)運(yùn)行的混合濾波器的電路拓?fù)鋱D。其中，混合濾波器并聯(lián)在諧波負(fù)載和電網(wǎng)之間，整個(gè)系統(tǒng)的主要頻次諧波電流由無(wú)源部分濾除，未能濾除的其他頻次諧波電流由有源部分濾除。該拓?fù)渲?，APF的補(bǔ)償電流所需較少，容量得以降低，減少了成本投入。

圖2 混合電力濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 仿真系統(tǒng)圖

3.2 諧波分頻控制方法設(shè)計(jì)

新型濾波裝置的控制系統(tǒng)核心在于諧波的分配，由于APF在同頻率諧波下的等效阻抗小于PPF，因此APF采用傳統(tǒng)控制方法并聯(lián)到PPF旁，正常工作時(shí)由于低阻抗分流作用會(huì)導(dǎo)致PPF不能正常工作。因此需要將諧波電流進(jìn)行分配，在APF的控制環(huán)節(jié)中將PPF所濾除諧波分量在APF指令電流中剔除。具體控制方法為：首先，檢測(cè)負(fù)載電流，提取電流基波分量。其次，用負(fù)載電流減去電流基波分量得負(fù)載電流諧波分量。最后，在所得諧波電流分量中，將無(wú)源部分濾除頻次諧波分量（iLp）剔除，作為有源部分補(bǔ)償電流的指令值?？刂品椒ú捎霉娇梢员硎救缦?，其中is，iL，，ip分別表示電網(wǎng)側(cè)，負(fù)載側(cè)以及APF和PPF的電流。

4 仿真驗(yàn)證

本文在PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建如圖3所示的仿真模型對(duì)所提控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主電路由電源、諧波源、濾波裝置組成，其中諧波源為三相不可控整流電路，濾波裝置為APF和PPF并聯(lián)運(yùn)行的混合濾波器，PPF設(shè)計(jì)為5次濾波器。

根據(jù)所提控制方法，APF補(bǔ)償電流的指令值可通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流再剔除基波和5次諧波分量得到，仿真中分別測(cè)量了補(bǔ)償前、僅無(wú)源設(shè)備補(bǔ)償、混合設(shè)備補(bǔ)償三種情況下的電網(wǎng)電流波形圖和各電流分量幅值圖，具體的仿真結(jié)果與分析如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)電流波形和諧波含量圖

（1）補(bǔ)償前

圖4（a）所示為補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電流波形圖和各次分量幅值圖，從圖中可以看出電網(wǎng)電流波形畸變嚴(yán)重，經(jīng)測(cè)量模塊測(cè)得此時(shí)5次諧波電流分量約為80A，電網(wǎng)側(cè)總電流諧波畸變率為17.43%。

（2）僅無(wú)源設(shè)備投入

圖4（b）所示為PPF投入后電網(wǎng)電流波形圖和分量幅值圖，從圖中可看出電流波形有所改善，經(jīng)測(cè)量得此時(shí)5次諧波電流分量約為16A，總電流諧波畸變率為7.56%。從仿真結(jié)果可以看出雖然PPF投入具有一定的濾波效果，但仍不滿足低壓配電網(wǎng)總電流諧波畸變低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）混合濾波器投入

如圖4（c）所示為APF和PPF并聯(lián)運(yùn)行的混合濾波器投入后的電網(wǎng)電流波形圖和幅值分量圖。從圖中可以看出，電流波形相對(duì)于圖4（a）來(lái)說(shuō)有較為明顯的改善，基本上各次諧波都被濾除干凈，經(jīng)測(cè)得此時(shí)總電流諧波畸變率為3.53%，滿足低壓配電網(wǎng)電流諧波畸變率低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，混合裝置中有源部分和無(wú)源部分協(xié)調(diào)運(yùn)行良好，PPF的正常工作沒(méi)有受到APF工作的影響，所以本文所提諧波分頻控制方法的正確性與適用性得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文分析了諧波對(duì)電網(wǎng)安全節(jié)能運(yùn)行的影響，總結(jié)了無(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器的工作原理和運(yùn)行優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)濾波技術(shù)的缺點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)一種采用諧波分頻控制方法的并聯(lián)混合濾波器，并基于PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可得結(jié)論如下：

（1）本文所提的并聯(lián)混合電力濾波器諧波抑制效果良好，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配電網(wǎng)諧波電流畸變率低于5%的要求，可靠性高；

（2）通過(guò)采用諧波分頻控制方法對(duì)混合濾波器進(jìn)行控制，有效解決了有源部分和無(wú)源部分協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)的諧波分配問(wèn)題，降低了有源部分容量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。