供电系统谐波研究、分析与APF应用

刘克程何瑞敏郭博（.神华准池铁路有限责任公司，山西朔州 06800；.神华神东煤炭集团，陕西榆林 795；.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院，内蒙古呼和浩特 0000）

供电系统谐波研究、分析与APF应用

刘克程1何瑞敏2郭博3
（1.神华准池铁路有限责任公司，山西朔州 036800；2.神华神东煤炭集团，陕西榆林 719315；3.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院，内蒙古呼和浩特 010020）

本文简单叙述了高次谐波对电能质量的影响及对设备造成的危害，阐述了国家标准对10kV系统谐波的要求及计算方法，并以某矿区10kV系统实测数据进行说明。针对电力系统中高次谐波配置有源电力滤波器（APF），可以消除谐波并补偿无功，文中对APF的工作原理、优点进行了简单介绍，对现阶段研究APF控制方式的情况及发展趋势作了说明。

谐波 有源滤波器 供电系统

伴随电力电子技术的飞速发展， 各种新型电力电子设备广泛被使用。新型电力电子产品改善着人们的生活中质量，提高着企业的生产效率。但由于这些设备的非线性和多样性特点， 产生大量的谐波并注入电网， 导致电网的供电质量下降，可能造成居民、企业用电设备的异常甚至损坏。

针对非线性负荷对电网和设备的危害日益严重，有源电力滤波器（APF）作为一种理想的谐波装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波进行消除，有源电力滤波设备优于传统无源滤波器，并在未来与智能控制结合的路上越来越远。

1　高次谐波危害

随着科学技术的发展，越来越多非线性电气产品在生活、生产中应用，如节能灯、变频器、整流器等。这些非线性电气产品给人们的生产、生活带来便利的同时，也给电力系统带来严重谐波污染问题，大量高次谐波会引起电压畸变，导致电机发热、设备损坏等问题，对生活、生产用电造成很大隐患。其主要表现有：

（1）高次谐波使电气设备如电机、电缆、变压器等产生附件的谐波损耗，降低设备的使用效率，使绝缘线路过热甚至发生火灾。（2）高次谐波可以影响各种用电设备的正常运行，引起设备机械振动、噪音和过电压，严重甚至损坏设备。（3）高次谐波会与电容器、高压电缆的对地电容之间产生并联谐振，使谐波放大，导致电力系统事故。（4）高次谐波可能会导致通讯系统失灵、继电保护和自动装置的误动作，还可能会使电气测量仪表测量失真。

表1　谐波电压限值

表2　注入公共连接点的谐波电流允许值

表3　hK系数取值

表4　一部胶带机出线（平均值）

表5　大巷排水Ⅰ出线（平均值）

2　10kV系统高次谐波

2.1供电系统高次谐波允许电流

国标《GB/T 14549-93 电能质量 公用电网谐波》［1］对10kV母线各次谐波限值要求（表1、2）：

谐波电流允许值当系统公共连接点最小短路容量不同于上表基准短路容量时，按公式（1）修正上表中的谐波电流允许值：

式中， Sk1——系统公共连接点最小短路容量，MVA

Sk2——基准短路容量，MVA

Ihp——表2中第h次谐波电流允许值，A

Ih——短路容量为 Sk1时的第h次谐波电流允许值，A

注：当系统短路容量不等于100MVA时，需根据公式（1）及表2数据计算系统内谐波电流允许值。

2.2高次谐波电流计算

两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加当相位角已知时按下式计算

式中，1hI——谐波源1 的第h 次谐波电流，A

Ih2——谐波源2 的第h 次谐波电流，A

coshθ——谐波源1 和谐波源2 的第h 次谐波电流之间的相位角

当相位角不确定时可按下式进行计算：

式中hK系数按表3选取

两个以上同次谐波电流叠加时首先将两个谐波电流叠加然后再与第三个谐波电流相叠加以此类推。

表6　变电站Ⅰ进线（平均值）

表7　二部胶带机出线（平均值）

表8　大巷排水Ⅱ出线（平均值）

表9　胶带运输巷出线（平均值）

表10　变电站Ⅱ进线（平均值）

表11　集运胶带机出线（平均值）

2.3实例

某矿区因谐波问题，曾出现电容器爆炸、电缆发热、变压器响声异常等情况，给矿区生产埋下安全隐患，对企业财产、人身安全来带严重威胁。

为测定系统中谐波含量，特制定采集方案：首先采用FLUKE 435型电能质量分析仪对系统进行数据采集。测量数据选取：电压数据取10kV侧测量PT的二次回路试验端子接入电能质量分析仪的电压输入端；电流数据取自10kV母线测量CT的二次回路试验端子接入电能质量分析仪的电流输入端。采集数据如下：

以3次谐波为例计算方式如下：

首先确定系统基准短路容量，得到谐波电流允许值。如系统基准短路容量是100MVA，系统谐波电流允许值为表2电流允许值；系统基准短路容量不是100MVA，则利用公式（1）计算出谐波电流允许值；（实例矿区系统基准短路容量为100MVA）

再将表4至表11中3次谐波电流测试数据，按照两个以上同次谐波电流叠加时首先将两个谐波电流叠加然后再与第三个谐波电流相叠加的方式，以此类推代入公式（3）。

各次谐波经过计算，某矿区10kV电力系统中总谐波电流为：3 次6.6A，5次20.3A，7次8.4A，11次6.9A，13次5.1A，与表2国家标准《GB/T 14549-93》限值比较可知， 5次谐波超标。

3　有源电力滤波器（APF）

3.1有源电力滤波器（APF）原理

有源电力滤波器（APF：Active power filter）进行可以对电力系统中谐波进行治理，APF是一种用于动态消除谐波、补偿无功的新型电力电子装置，APF适用于不同频率、不同大小的谐波抑制及补偿。APF可以通过采样线路中电流，分离出存在各次谐波和无功分量，根据谐波和无功量快速响应，主动输出相应大小、频率和相位的电流，抵消系统中负载谐波电流，从而实现动态消谐及无功补偿。

APF通过电力系统中电流互感器检测负载电流，再通过APF内部数字信号处理器（DSP）提取出负载电流中的谐波成分，然后通过脉冲宽度调制（PWM）发送控制信号给APF内部的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），IGBT快速开断逆变装置产生一个和系统中负载谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，使其流入电力系统与负载产生的谐波电流叠加，达到消除谐波的目的。

APF分为并联型和串联型，并联型APF主要是消除电流谐波，串联型APF主要是消除电压谐波引起的问题。

电力系统增加APF设备改善10kV系统电能质量，消除系统高次谐波。APF装置配置时需要考虑系统等效基波电流、容量，并为扩能留有裕量。

3.2APF的特点及优点

对于电力系统谐波的治理，20世纪80年代前多采用LC滤波器，也称无源滤波器。LC滤波器结构简单、造价低、运行可靠等特点，但存在一定的缺陷。比如，无源滤波器的设置需根据电力系统的谐波频率，且只能滤除特定谐波，并有可能存在与电力系统发生谐振。APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它能够消除大小和频率不同的谐波、并对无功进行补偿。APF装置在电力系统中的应用，弥补了传统滤波器的缺点，能够实现动态跟踪补偿；达到既补谐波又补无功的现代工业要求［2］。

APF装置的优点：（1）可以消除2-50次谐波，提高供电电能质量；（2）消谐响应速度快；（3）具备滤波功能和无功补偿功能；（4）具备自我保护功能；（5）噪音小、损耗低。

APF装置在电力系统的应用，对系统电能质量及用电客户都起着重要的作用，如利用消除谐波、补偿无功不仅保证了电能质量，也减少了谐波对配电变压器的损害，延长变压器使用寿命；减少了事故停电，保障供电的安全性、稳定性；减少了谐波对配电设备的损害，降低维护工作量和维护检修费用，同时有效延长居民用电设备的寿命，减少居民的经济损失；补偿谐波无功功率，同时保障基波无功功率补偿，减少电能损失，提高供电能力［3］。

3.3APF的发展

随着计算机技术和芯片技术的发展，智能控制方法将逐步进入实用化阶段。将智能控制方法用于控制有源电力滤波器（active power filter，APF）可大大提高APF 的各项性能。APF利用并联型和串联型及系统情况可以组成多种拓扑结构，无论什么样的结构，APF的控制部分的选取是至关重要的，这决定着能否获得优良的补偿特性。APF起初将脉宽调制（PWM）的实现方法作为控制方法，包括三角波比较法、空间矢量法、滞环控制法、特定消谐PWM 法等。随着工业的发展对电能质量提出更高的要求，对电网的谐波限制也越来越严格，常规的PWM控制方法已难以满足要求。伴随科学技术发展APF-控制方法出现了重复控制、模糊控制、常规比例积分控制、无差拍控制、变结构控制、预测控制、自适应控制、神经网络控制等。其中模糊控制、神经网络控制等属于智能控制方法，是控制论、系统论、信息论和计算机技术交叉结合的产物，在处理实时变化、复杂系统时有明显的优势。

APF的控制方法是当前的研究热点，而智能控制方法则是研究的重点。目前，智能控制在APF中的应用正逐步进入实践阶段，其应用研究已有了长足的进展。在APF自动控制中，存在着大量的优化问题，随着对APF性能要求的提高，利用遗传算法进行参数寻优，之后控制输出最合理的电流及无功，这对APF研究是一项有意义的工作。由于APF神经网络控制器的运算量大，大部分文献中都只给出仿真试验结果，但近年已有采用数字信号处理器控制的实验结果。智能控制有源电力滤波器，绝大部分只是控制器的某个环节应用了智能控制方法，如电流环采用智能控制，而电压环依旧采用常规比例-积分控制，因此APF整体性能的改进在很大程度上会受到限制。如果全部环节均采用智能控制，理论上会很大程度的提高APF的性能，但由于实现起来复杂，这方面的应用还需要进一步深入研究。APF属于非线性系统控制，将智能控制方法和非线性控制方法相结合更能提高APF的性能，将来会是一个较有前途的发展方向［4］。

4　结语

非线性负载的应用会在电网中产生谐波，对供电质量造成污染，按照国标对电能质量的要求，应用APF设备消除谐波，改善电能质量，从而消除由谐波引起的各种故障和事故，能为人们的生活、安全生产带来有力保证。APF作为谐波消除提高电能质量的有效设备的一种，在我国随着电能质量治理的深入，逐步在现场应用和市场销售被越来越多的人所认识，随着各种电力电子技术的迅速发展及使用，智能控制的深入研究，APF具有很大的发展前景和市场潜力。

［1］ GB/T14549—93，电能质量，公用电网谐波，中国国家标准［S］.

［2］程少炜，潘斌，张挺，邱书明，陈宗源.APF谐波抑制技术的实际应用［J］.电气传动，2012（5）：42.

［3］张新，吴超，牛冠清.有源电力滤波器APF在小区配电网中的应用［J］.科技与企业，2013（24）.

［4］王晓刚，谢运祥，帅定新.智能控制方法应用与APF的综述与展望［J］.电网技术，2008（4）.

刘克程（1983—），男，汉族，内蒙古乌海人，工程硕士，工程师，研究方向：电气工程及变配电技术；何瑞敏（1983—），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，本科，工程师，研究方向：电子与通信技术；郭博（1984—），女，汉族，辽宁沈阳人，本科，工程师，研究方向：风能太阳能应用。