錢葉牛1，史江凌2，強  晟3，汪劍波2，孫  健1

　　(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075；2.國網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京101100；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春130021)

摘  要： 首先介紹了單調(diào)諧和二階高通濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后以某用戶等離子體點火器為研究對象進(jìn)行諧波測試分析，并且詳細(xì)介紹了濾波器設(shè)計過程，最后利用PSCAD搭建仿真環(huán)境驗證濾波器濾波效果。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的濾波器有效抑制了用戶配電系統(tǒng)中諧波電流，使用戶注入公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）的諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還提高了功率因數(shù)，優(yōu)化了用電環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 電能質(zhì)量；諧波電流；濾波器；仿真分析

0 引言

　　隨著電力工業(yè)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和逐步成熟，現(xiàn)代大中型企業(yè)非線性負(fù)載比重日益增加，容量不斷擴大，特別是晶閘管整流、變頻調(diào)速等裝置在工業(yè)生產(chǎn)中愈來愈廣泛地應(yīng)用以后，向電網(wǎng)注入了大量諧波電流，使供電電壓波形畸變，電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，同時也給連接于同一電網(wǎng)系統(tǒng)的其他用電設(shè)備帶來了不利影響和危害。

　　為了保障廣大用電客戶和電網(wǎng)企業(yè)的權(quán)益，1993年國家技術(shù)監(jiān)督局正式頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549-1993)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶注入公用電網(wǎng)諧波電流限值，為用戶制定諧波治理方案或措施提供了依據(jù)[1]。

　　有效解決諧波源設(shè)備的諧波污染問題有兩個基本方法：一是裝設(shè)諧波補償設(shè)備來補償諧波；二是對諧波源設(shè)備本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波。由于第一種方法對各種諧波源都適用，且可對含有多種諧波源的系統(tǒng)進(jìn)行集中治理，因而在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。

　　諧波補償設(shè)備就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施，其按照所采用的元器件，可分為無源濾波器和有源濾波器。由于無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，因而被廣泛使用。有源濾波器是新一代諧波補償設(shè)備，具有良好的補償特性，能同時滿足補償諧波和無功功率的要求，但因價格較高、維護復(fù)雜等因素，在我國應(yīng)用還不廣泛。

　　無源濾波器主要由電容、電感、電阻元件串并聯(lián)組成，將其設(shè)計為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式是提供諧波電流旁路通道。無源濾波器根據(jù)在電網(wǎng)中的連接形式可以分為并聯(lián)、串連和混聯(lián)三種，其中并聯(lián)濾波器是應(yīng)用最為廣泛的一種；根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，又可以分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器及高通濾波器等幾種。在實際應(yīng)用中單調(diào)諧濾波器和二階高通濾波器使用較為廣泛[2-4]。

1 單調(diào)諧濾波器的設(shè)計

　　1.1 工作原理

　　單調(diào)諧濾波器電路原理如圖1所示，由電容器、電抗器、電阻器串聯(lián)組成。h次單調(diào)諧濾波器阻抗為：

　　其中，Rh、L、C分別為濾波器的電阻、電抗和電容；w1為系統(tǒng)工頻角頻率；h為諧振諧波次數(shù)。

　　在調(diào)諧狀態(tài)下，Zh=Rh。由于Rh很小，h次諧波電流主要由Rh分流，很少流入電網(wǎng)中，從而起到濾除h次諧波電流的目的，同時使對應(yīng)的諧波電壓大幅度降低。而對于其他次諧波，濾波器呈現(xiàn)較大的阻抗，分流很小。

　　1.2 參數(shù)確定

　　由于三相濾波器各相相同，所以只研究一相的參數(shù)。假設(shè)濾波器基波無功補償量為Q1，則：

　　其中U1為交流母線電壓基波分量。由于裝有濾波回路的各次諧波電流都被濾掉，母線電壓中不含有這些次數(shù)的諧波，而其他次數(shù)的諧波分量一般很小，可以忽略，即可認(rèn)為母線電壓只含基波分量。

　　由式(2)可以確定電容器C值為：

　　單調(diào)諧濾波器的品質(zhì)因數(shù)較大，一般為30～60。q值越大，Rh越小，濾波器損耗也就越小，但是濾波器對失諧的靈敏度越高。因此，需要結(jié)合系統(tǒng)的特點選擇合適的q值[5-7]。

2 二階高通濾波器的設(shè)計

　　2.1 工作原理

　　二階高通濾波器電路原理如圖2所示，其阻抗為：

　　取Rh=1 Ω，C=2 590 ?滋F，則|Zh|隨hw1變化曲線如圖3所示，該曲線在某一很寬的頻帶范圍內(nèi)呈現(xiàn)為低阻抗，形成對次數(shù)較高諧波的低阻抗通路，使得這些諧波電流大部分流入高通濾波器。高通濾波器的阻抗受系統(tǒng)頻率變化的影響很小，也不靈敏，但損耗較單調(diào)諧濾波器大。

　　2.2 參數(shù)確定

　　工程應(yīng)用時，為了簡化計算，通常采用單調(diào)諧濾波器C、L確定方法確定電容和電感值，即式(3)和式(4)。但品質(zhì)因數(shù)除外，為相應(yīng)單調(diào)諧濾波器q的倒數(shù)，一般取0.7～1.4。

3 濾波器各支路無功補償容量的分配

　　通常濾波器由多個濾波支路構(gòu)成，如何將無功功率合理分配至各濾波支路是非常重要的問題，也是保證濾波器總體濾波效果的關(guān)鍵之一。設(shè)濾波器總無功補償容量為QC1，可由式(8)確定。

　　式中：P1為負(fù)載基波平均有功功率，cos?漬1為補償前負(fù)載基波平均功率因素測量值或設(shè)計值，cos?漬2為補償后基波平均功率因素設(shè)計值。

　　為了使各個濾波器支路電容器承受諧波電壓基本一致，在工程應(yīng)用中可按式(9)確定各支路無功補償容量：

　　Q為第hi次濾波支路分配的基波補償容量，I/hi為第hi次濾波支路需濾除的諧波電流與諧波次數(shù)比值，(I/hj)為所有濾波支路需濾除的諧波電流與諧波次數(shù)的比值和。

4 等離子體點火器諧波治理仿真實例分析

　　某用戶供配電系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)有2個電壓等級(10 kV、0.38 kV)，由10 kV母線1供電；有一臺2 000 kVA兩繞組變壓器，阻抗百分比為6.25%，阻抗比X/R=10.67；500 kVA等離子體點火器為諧波源負(fù)載，實測功率因數(shù)為0.65，它產(chǎn)生的諧波電流通過變壓器注入PCC處；1 200 kVA等效負(fù)荷由80%電動機負(fù)荷和20%靜態(tài)負(fù)荷構(gòu)成，功率因數(shù)為0.85；電纜長度為27 m，阻抗為0.018 4+j0.018 2 Ω/km。采用PSCAD仿真軟件建立電氣元件模型，進(jìn)行濾波方案的設(shè)計，并且觀察濾波效果。

　　4.1 諧波測試

　　依據(jù)GB/T 14549-1993，對該用戶進(jìn)行了諧波測試，測試時間為24 h，測試儀器為美國電力士電能質(zhì)量分析儀（儀器編號 PVUSIA157、PVUSIA158），測試點（諧波監(jiān)測點1和諧波監(jiān)測點2）位置如圖4所示，諧波測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示，電壓、電流波形及頻譜如圖5～圖10所示。由于5、7、11、13、17等次諧波的存在，電壓、電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變。

　　4.2 諧波電流限制指標(biāo)

　　PCC處最小短路容量為143MVA，供電容量為31.5MVA，用電容量2MVA。根據(jù)GB/T 14549-1993計算該用戶在PCC處的諧波電流限制指標(biāo)（10 kV），如表3所示。

　　4.3 諧波電壓限制指標(biāo)

　　根據(jù)GB/T 14549-1993，電力系統(tǒng)正常運行條件下，用戶接入10 kV PCC處母線的電壓總諧波畸變率THDU不大于4.0%，其中奇次諧波含有率HRUh不大于3.2%，偶次諧波含有率不大于1.6%。

　　由上述數(shù)據(jù)可知，在用戶PCC處：5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次及25次諧波電流的發(fā)射量均超過國標(biāo)限值；母線電壓總諧波畸變率超過國標(biāo)限值。因此，需要對等離子體點火器產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行濾波處理。針對該設(shè)備的諧波電流發(fā)射量，在母線3處并入5、7、11、13次單調(diào)諧濾波支路各1個以及17次二階高通濾波支路1個。

　　4.4 濾波支路參數(shù)計算及仿真分析

　　4.4.1 濾波支路參數(shù)計算

　　設(shè)定負(fù)載功率因數(shù)從0.65補償至0.99，負(fù)載有功功率為0.312 MW，則按式（8）計算濾波器QC1=320 kvar。根據(jù)上述各次諧波電流發(fā)生量的大小，按式（9）計算5、7、11、13、17次濾波支路補償容量，如表4所示。

　　根據(jù)上述無源濾波器設(shè)計方法計算可得，各濾波支路的參數(shù)如表5所示。

　　4.4.2 仿真分析

　　在PSCAD中建立系統(tǒng)仿真模型，單調(diào)諧濾波器和高通濾波器用R、L、C元件組合而成，并將其并到母線3處，靠近諧波源負(fù)載，以取得較好的濾波效果。運行仿真，濾波以后的諧波電壓、電流數(shù)據(jù)如表6和表7所示，波形如圖11～圖16所示。監(jiān)測點1處和監(jiān)測點2處母線電壓總諧波畸變率分別為1.83%和4.12%，均在國標(biāo)限值范圍內(nèi)。對比濾波前后的電壓、電流波形和頻譜，可以看出，波形得到了較大的改善，5次、7次、11次、13次諧波濾除效果明顯，諧波電流殘留較少，其他次諧波得到了一定的抑制，濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波效果，同時濾波器發(fā)出320kvar容性無功，使負(fù)載功率因數(shù)補償至0.984。

5 結(jié)論

　　電能質(zhì)量關(guān)系到電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展，是實現(xiàn)節(jié)約型社會的必要條件之一。諧波作為電能質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，直接反映了電網(wǎng)受污染的程度。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、造價低廉等優(yōu)點，是目前廣泛應(yīng)用的諧波治理技術(shù)。

　　本文在充分了解單調(diào)諧濾波器和二階高通濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，針對某用戶的等離子體點火器運行時向電網(wǎng)注入諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變的問題，使用電能質(zhì)量分析儀對現(xiàn)場諧波源負(fù)載處和PCC處進(jìn)行了諧波發(fā)射量實測，并設(shè)計了濾波器抑制諧波源負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，再利用PSCAD搭建仿真環(huán)境驗證濾波器濾波效果。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的濾波器有效抑制了5、7、11、13次諧波，其他次諧波也得到一定的限制，注入PCC處的諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并且在濾波的同時還向電網(wǎng)注入容性無功，改善了功率因數(shù)，避免了供電公司的考核和罰款。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549-1993.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

　　[2] 吳竟昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統(tǒng)諧波[M].北京：水利電力出版社，1998.

　　[3] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

　　[4] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.

　　[5] 張寧，宋福根.單調(diào)諧濾波器設(shè)計及其在諧波治理中的研究[J].電氣技術(shù)，2008(7)：27-29.

　　[6] 邵宗岐.中頻電爐的諧波治理[J].電氣技術(shù)，2009(11)：58-63.

　　[7] 閤先華.電力系統(tǒng)中無源濾波器的仿真和分析[J].船電技術(shù)，2006(6)：29-31.