一种优化系统电能质量的方式

一种优化系统电能质量的方式

查冬生1 胡锡彬1 何庆亚2

（1.安徽铜陵供电公司，安徽 铜陵 244000；2.上海追日电气有限公司，上海 200062）

摘要 本文从谐波危害入手，就有源滤波和无源滤波的优缺点作了简要介绍，并结合有源滤波的工作原理，指出并联有源滤波装置是今后电力滤波技术的主要发展方向。

关键词：有源滤波；工作原理；技术对比

An Optimization Method on Improving Network Power Quality

Zha Dongsheng1 Hu Xibin1 He Qingya2

（1.Anhui Tongling Power Supply Company, Tongling, Anhui 244000；

2. Shanghai Surpass Sun Electric Co., Ltd, Shanghai 200062）

Abstract This paper, starting with harm of harmonic, makes a brief introduction of advantages and disadvantages of active filtering and Shunt filtering, and combining with working principles of active filter, states that Shunt Active Harmonic Filter will be the main development direction of electric power harmonic filtering technology in the future.

Key words：active filter；working principle；technology comparison

波源主要以UPS电源、荧光灯照明系统、计算机等

1 引言

负载为主，除了整流型负载含有的谐波成分外，主

随着电力电子装置为代表的非线性负载在供配要是零序谐波，以3次谐波为主，使中性线的电流电网广泛应用，电力系统的谐波问题日益严重。对值可能超过相线上的电流，造成中线发热、容易引人民的财产和人身安全带来巨大的隐患，为此我国起火灾[3]；汽车行业谐波源主要以电焊机、整流器已经出台谐波强制性规范，强化对谐波污染的治理。 等负载为主，并且功率因素较低。

电网电能质量应符合下列国家标准： 各行业大量采用的变频器是主要的谐波源。由（1）《电力系统频率允许偏差》GB/T15945。 于变频器的整流部分多采用二极管不可控桥式整流（2）《供电电压允许偏差》GB12325。 电路，整流器的输入、输出电流谐波分量较大，输（3）《电压允许波动和闪变》GB12326。 出电压畸变，对电网和负载污染。较低次谐波通常（4）《三相电压允许不平衡度》GB/T15543。 对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐（5）《公用电网谐波》GB/T14549。 波又使变频器输出电缆的漏电流增加，尤其是负序国内一些企业已开始重视谐波的污染，投资安装谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机谐波滤波器，取得了节能和提高电网品质的双重效果。旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动本文结合并联有源滤波装置的原理和特点，浅析并联机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近有源滤波装置在优化配电系统电能质量中的作用。 某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，

发出很大的噪声。因此变频器输出的高低次谐波都2 谐波对各行业的危害

必须抑制。尤其是多台变频器集中使用时，谐波是

冶金、石化行业的谐波源主要是整流负载、中

最需要关注的问题[1]。

频炉、电焊机、电弧炉、变频器等，主要以3次、5

3 有源&无源滤波技术 次、7次、11次等谐波为主，是污染电网、影响电

器正常工作和使用寿命的主要因素；通信行业的谐消除谐波可以采取无源滤波和有源滤波等方

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PE电力电子 法。无源滤波技术已经发展多年，技术成熟，但是由于其基本采用调谐的谐振技术，通过为谐波提供低阻通路来消除谐波，体积庞大，能耗高、对谐波含量丰富的负载滤波效果差，对供电系统的阻抗特性影响大，容易引发系统谐振，因此运用范围受到限制。 而有源滤波技术由于采用高性能控制芯片和全控型电力电子器件，运用最优谐波控制技术，体积小、能耗低，对负载的适应性强，对系统阻抗影响小，不易引起系统谐振，对谐波含量丰富的负载滤波效果很好，是今后电力滤波技术的主要发展方向。 有源滤波与无源滤波比较另一显著的优点是，在高功率因数供电系统场合（如功率因数达到0.9以上），无源滤波技术除了滤除谐波还会提供容性无功电流，这将进一步提高功率因数而形成过补，而有源滤波技术可以只滤除谐波而不再提高功率因数，不会形成过补。这种功能在供电系统功率因数原本就较高，但是还要进行谐波治理的场合就有很大的优势。 表1 有源滤波与无源滤波等技术的比较 分类 装置 结构 可靠性 滤除谐 波次数 损耗 价格 有源滤波技术 并联有源 滤波装置 先进 可靠性高 多达50次 损耗最小 适中 无源滤波技术 LC滤波器 简单 可靠 每一条LC支路只 能滤除某次谐波 损耗较大 经济 多脉波整流技术6/12/24脉 波整流装置 复杂 可靠性低 5、7/11、13 损耗大 昂贵 供电容量。工作原理如图1所示。 其控制算法上有两种主流： （1）FFT算法 其特点是对谐波快速傅里叶分解后形成控制指令；可以处理指定次数的谐波。但响应时间长（40ms），适合于谐波波动不大的工况。 （2）瞬时无功功率法 其特点是滤波频谱宽、响应时间短（10ms内）。电气拓扑结构以三桥臂（用于三相三线制）和四桥臂（用于三相四线制）为主。主要电力电子器件以IGBT（用于小容量）和晶闸管(用于大容量)为主。目前最大容量可达20MVA。产品单台最大容量为300A（250kVA）[2]。 图1 并联有源滤波装置原理图 其中，iSa=iLa-iHa；iLa为非线性负载电流；iHa为滤波器发出的补偿电流；iSa为电源侧总电流。 5 应用实例 本文以橡胶厂直流密炼机的供电系统为例，对供电系统的无功及谐波现状进行分析，并提出一些行之有效的治理措施。由于该系统功率因素极低，基本每月都存在电力罚款，因此对该负载的治理迫在眉睫。 根据负载特性：负载变化快，最快周期达10s左右，低压侧功率因素在0.45左右（测试数据见图2）。本次治理主要以补偿为主兼顾抑制部分谐波。针对这种快速变化的系统，无功补偿和谐波的抑制也必须能够跟随负荷的快速变化，这样才能起到很好的效果。因此本次治理采用有源+无源混合方案。 结合无源的自身优点在补偿的同时抑制谐波，而且成本低，再利用有源装置动态响应快的特点，利用小容量有源就可以弥补无源过补的或部分欠补的现象，这样就既减少了投资成本又可达到很好的治理效果（补偿容量可达无级可调）。 4 工作原理 并联有源滤波装置是电能质量领域新型的谐波治理设备。由于其体积小、效率高、滤除的谐波次数多、不会与系统发生谐振、响应速度快等优点十分突出。同时其具有接入供电系统容易、基波损耗低、在退出供电系统进行维修时不影响供电系统的持续供电的优势，在冶金、石化、通信、汽车、民用建筑等领域，其运用正在迅速普及和深入，得到了各行各业用户的肯定。 该装置实际上是一个谐波发生器，它通过实时检测电网上的负载产生的谐波电流，产生出与负载谐波幅值相等、相位相反的补偿电流施加于电网，从而抵消谐波、防止谐波电流流入配电系统造成污染。同时，其可以根据要求发出感性和容性无功电流，达到调节功率因素的目的，以提高供电系统的38 2009年第6期 PE电力电子

本方案实施后，通过对测试记录数据进行统计计算，系统的平均功率因素达到0.92以上（测试数据见图3），大大满足用户要求，同时可降低无功损耗、增加网络元件供电能力裕量。

干扰及其对电网上装设的LC滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。主要形式有串联－并联型有源滤波、混合型有源滤波等。在国内，很多高校企业正在积极研究，取得了阶段性成果，其中拓扑结构和控制方法方面取得了一定的成果。随着并联有源滤波技术的不断成熟和性价比的提高，以及用户对谐波意识逐步加深，并联有源滤波装置将在国内低压滤波市场得到广泛地运用。

参考文献

图2 装置切除时低压功率因素图

[1] 王兆安,杨君,刘进军著.谐波抑制和无功功率补偿

[M]. 北京: 机械工业出版社,2002.2.

[2] [加]R.Mohan Mathur,[印]Rajiv K.Varma 著; 徐政译.

基于晶闸管的柔性交流输电控制装置[M]. 北京:机械工业出版社,2005.2

[3] 张直平编. 城市电网谐波手册[K]. 北京: 中国电力

出版社, 2001.2

作者简介

查冬生（1966-）男，安徽铜陵人，工程师，主要从事电力系统谐波、无功补偿、电能计量理论的研究。

胡锡彬（1968-）女，山东济南人，工程师，主要从事电力需求侧管理技术及电能质量管理。

何庆亚（1979-），男，工程师，主要从事谐波抑制和无功功率补偿的研究及其产品设计。

图3 装置运行时低压功率因素图

6 结论

目前，有源电力滤波技术已在日本、美国等少

数工业发达国家得到应用，其装置容量最高可达20MVA，国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。目前发展的趋势是提高补偿容量、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向。在应用方面，主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策，解决最优配置、有源滤波器的相互

（上接第36页）

其中取开关频率为10kHz，输出电流波动取为0.2。 经计算有0.00346H[2] M.Smedcey, Unified constant-frequency integration

control of three-phase standard Bridge Boost Rectifiers with power-Factor correction, IEEE IA, 2003.

[3] 陈少屏,梁冠安. 基于单周期控制技术流技术的交错

运行变器[J]. 电力电子技术, 2002.

[4] Keyue M.Smedley,One-Cycle Control of Switching

Converters, IEEE, PE, 1995.

6 结论

本文论述了三桥臂三相四线APF主电路设计所涉及到的主要问题，其中包括主电路结构、开关器件和储能电容的选择，以及电抗器电感值及铁心材料的选择，所得到的结论可应用于其他容量的APF主电路设计。

参考文献

[1] Msuricio Aredes, Three-phase Foure-wire shunt Active

Fieter Control strategies, IEEE, PAS, March 1977.

作者简介

陈伟强，男，硕士研究生，电力工程师，从事无功补偿与电力质量管理工作。

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