匡 華

云南電網(wǎng)公司曲靖供電局 655000

引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題收到了越來越多的重視。目前不僅輸電網(wǎng)中的諧波問題受到了廣泛的關(guān)注，配電網(wǎng)中的大型、集中諧波源也受到了越來越多的重視。而與我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系最緊密的400V電網(wǎng)中，數(shù)量巨大的小型非線性諧波源卻還沒能受到應(yīng)有的重視。目前400V公用電網(wǎng)中的主要部分居民用電占用電總需求的12%，已經(jīng)是不可忽視的部分，而美國(guó)目前是36%，這說明我國(guó)居民用電還有非常大的增長(zhǎng)空間，從而使得400V公用電網(wǎng)的諧波治理具有現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)期意義[1]。

從另外一個(gè)角度看，目前對(duì)400V公用電網(wǎng)的諧波危害和治理的研究國(guó)內(nèi)還很少，在英國(guó)進(jìn)行了相關(guān)類似的抽查分析，可以在這里作為參考。這個(gè)調(diào)查側(cè)重于分析由諧波電流、對(duì)地泄露電流和電壓擾動(dòng)所造成的計(jì)算機(jī)停機(jī)方面的問題。隨機(jī)對(duì)45家在公共事業(yè)、商業(yè)和工業(yè)方面的用戶電氣工程師進(jìn)行抽查，電能質(zhì)量問題出現(xiàn)的頻率見表1[2]。

表1 電能質(zhì)量問題出現(xiàn)的頻率[2]

從以上數(shù)據(jù)可知由于諧波造成公用電網(wǎng)停機(jī)事故的頻率很高，在所有3類用戶每年事故報(bào)告在12次以上的均在60%以上，而每年至少1次事故報(bào)告以上的均在80%以上。

因而對(duì)400V公用電網(wǎng)諧波的現(xiàn)狀和治理進(jìn)行實(shí)證研究具有十分重要的意義。

1 測(cè)試點(diǎn)選擇和諧波分析

為了更準(zhǔn)確掌握400V公用電網(wǎng)的諧波現(xiàn)狀，并使測(cè)量點(diǎn)能夠更好代表400V電網(wǎng)用戶的多樣性。云南省曲靖供電公司對(duì)其轄區(qū)內(nèi)的4個(gè)居民小區(qū)配電間、1個(gè)商業(yè)用戶以及1個(gè)公共事業(yè)用戶進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

4個(gè)居民小區(qū)中，古城小區(qū)是一個(gè)相對(duì)較老的小區(qū)，居民電器的數(shù)量和種類都相對(duì)較少，變頻設(shè)備數(shù)量相對(duì)較少；陽光小區(qū)是曲靖較高級(jí)的小區(qū)，居民電器的數(shù)量和種類都比較多，變頻設(shè)備也比較多，由于配電間數(shù)量較多故選擇了兩個(gè)負(fù)荷率比較高的配電間進(jìn)行測(cè)量；東興小區(qū)的情況則介于古城小區(qū)和陽光小區(qū)之間；匯寶酒店是集餐飲、住宿和KTV于一體的大型商業(yè)場(chǎng)所具有比較強(qiáng)的代表性；廣電局的負(fù)荷中既包含了一般辦公樓負(fù)荷如電腦、日光燈和大型空調(diào)，還包括了數(shù)據(jù)中心和演播大廳等特殊負(fù)荷極具代表性。具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

本文中的測(cè)試用戶均為居民用戶和商業(yè)用戶，測(cè)試點(diǎn)選擇在變壓器400V母線側(cè)。這些用戶的具有如下特點(diǎn)：

1）諧波源設(shè)備主要為家用電器；

2）諧波源設(shè)備使用的時(shí)段集中；

3）諧波源設(shè)備分散，數(shù)量眾多，單體諧波電流絕對(duì)值小。

表2 400公用電網(wǎng)用戶諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)、電流趨勢(shì)圖和電流畸變率趨勢(shì)圖也體現(xiàn)出相應(yīng)特點(diǎn)：

1）諧波電流以3次、5次、7次為主；

2）家用電器高級(jí)的用戶、變頻設(shè)備多的用戶諧波畸變率高；

3）電流畸變率波動(dòng)很大，沒有規(guī)律可循；

4）諧波電流幅值波動(dòng)很大，有一定規(guī)律；

5）諧波電流在用電高峰時(shí)段，也就是晚上6點(diǎn)至9點(diǎn)時(shí)及凌晨6點(diǎn)至早8點(diǎn)最高。而匯寶酒店和廣電局則分別在晚上8點(diǎn)～11點(diǎn)和辦公時(shí)間內(nèi)諧波電流含量最高；

圖1 測(cè)試點(diǎn)電流趨勢(shì)圖

圖2 測(cè)試點(diǎn)電流畸變率圖

6）由于曲靖地區(qū)，氣候宜人，夏季并不炎熱，所以基本上沒有居民用戶安裝空調(diào)，否則的話諧波畸變率還可能更高。

2 諧波治理的手段

所謂電流諧波治理就是清除掉電網(wǎng)中非基波頻率的其他頻率的諧波，保持電網(wǎng)清潔。電流諧波治理的方法主要有兩種：其一是制造針對(duì)特定頻次諧波的低阻通道，使得特定頻次的諧波全部流過低阻通道，從而保持電網(wǎng)清潔；另一種就是制造與諧波頻率相同、幅值相同但是相位相反的波形，對(duì)電流進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，時(shí)時(shí)刻刻的抵消諧波，保持電網(wǎng)清潔。

治理諧波的傳統(tǒng)手段LC濾波器，采用的就是第一種方法。LC濾波器也稱為無源濾波器，是由濾波電容器，電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。LC濾波器又分為單調(diào)諧波濾波器、高通濾波器及雙調(diào)諧濾波器等幾種，實(shí)際應(yīng)用中常用幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置[3]。其原理為通過LC電路諧振原理，制造針對(duì)特定次數(shù)諧波的低阻通道，使得該次諧波通過此LC電路，從而達(dá)到濾波的目的。

以單調(diào)諧濾波器為例，濾波器對(duì)n次諧波（ωn=nωs）的阻抗為

式中，下標(biāo)fn表示第n次單調(diào)諧濾波器。

應(yīng)用L、C串聯(lián)諧振原理，當(dāng)諧振次數(shù)n為

則

也就是此回路阻抗最小，所以n次諧波由此回路分流，而其他次諧波

所以分流也很少。從而無源濾波器達(dá)到了濾波的效果。

高通濾波器和雙調(diào)諧濾波器的工作原理基本和單調(diào)諧濾波器相同，區(qū)別在于高通濾波器主要和單調(diào)諧濾波器配合使用，用于濾除某一頻次以上的其他頻次諧波，而雙調(diào)諧濾波器則主要用于濾除兩個(gè)頻次的諧波，例如3次和5次諧波，但由于參數(shù)配置難度很大，所一般很少應(yīng)用雙調(diào)諧濾波器。一般情況下無源濾波器配置為若干個(gè)單調(diào)諧濾波器和一個(gè)二階高通濾波器，如圖4所示。

無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)很突出：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。

無源濾波器的缺點(diǎn)更突出：

第三步總分計(jì)算。在對(duì)圖書館15項(xiàng)指標(biāo)全部計(jì)算后，相加得到總分。這時(shí)的總分并不是HAPLR分?jǐn)?shù)，HAPLR分?jǐn)?shù)=總分÷總權(quán)重29÷此類總館數(shù)[10]。對(duì)得到的HAPLR分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，得到公共圖書館的排名情況。

1）只能補(bǔ)償特定頻率的諧波電流，當(dāng)負(fù)荷變化導(dǎo)致諧波電流成分變化時(shí)無法進(jìn)行補(bǔ)償；

2）無源濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗特性的影響，當(dāng)系統(tǒng)阻抗變化時(shí)，濾波效果變差；

3）電網(wǎng)中接入新的諧波源時(shí)，可能導(dǎo)致無源濾波器過載，甚至設(shè)備損壞；

4）在特定頻率下，可能發(fā)生LC電路和電網(wǎng)阻抗間的并聯(lián)諧振，使得電網(wǎng)中的諧波源注入LC電路，導(dǎo)致濾波失效，甚至設(shè)備損壞。

對(duì)比無源濾波器的缺點(diǎn)，有源濾波器，即APF：Active Power Filter，具有更多的優(yōu)點(diǎn)。APF是基于瞬時(shí)無功功率理論研究發(fā)展而來。APF設(shè)備利用瞬時(shí)無功功率理論檢出負(fù)荷的當(dāng)前時(shí)刻諧波成分，然后利用逆變技術(shù)發(fā)出需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流；它相當(dāng)于一個(gè)諧波發(fā)電機(jī)。

APF進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟硎窃O(shè)備的控制系統(tǒng)首先通過測(cè)量電路獲得接入點(diǎn)電壓、負(fù)荷電流、設(shè)備輸出電流、補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流、直流電容器電壓等信號(hào)，利用測(cè)量所得信號(hào)檢出負(fù)荷電流的各次諧波分量等補(bǔ)償量，作為設(shè)備的輸出電流參考信號(hào)，進(jìn)而控制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)電流參考信號(hào)計(jì)算得出對(duì)逆變器的PWM控制脈沖，并通過控制電路驅(qū)動(dòng)逆變橋的電子開關(guān)器件（IGBT），從而輸出相應(yīng)的諧波等補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。 APF設(shè)備工作的電路原理如圖5所示。

基于APF的工作原理，所以其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

2）可以同時(shí)濾除多次及高次諧波；

3）不會(huì)引起并聯(lián)諧振，沒有影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)；

4）在濾波的同時(shí)兼顧無功補(bǔ)償，保證功率因數(shù)在0.95以上。

由于所選測(cè)量點(diǎn)的電流諧波分量變化劇烈，且毫無規(guī)律可循，可預(yù)測(cè)無源濾波器無法達(dá)到很好的濾波效果。且根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，居民小區(qū)配電房常規(guī)配置的電容補(bǔ)償裝置經(jīng)常由于諧振導(dǎo)致電容故障，甚至影響居民正常用電。故本項(xiàng)目選擇有源濾波器進(jìn)行諧波治理。

在測(cè)量點(diǎn)的母線加裝相應(yīng)容量的APF投入運(yùn)行后，在加裝前進(jìn)行測(cè)量的統(tǒng)一測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了諧波數(shù)據(jù)的測(cè)試，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 無源濾波器原理圖

圖4 典型實(shí)際無源濾波器原理圖

圖5 APF設(shè)備工作原理圖

表3 治理后400公用電網(wǎng)用戶諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 治理后400公用電網(wǎng)用戶諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

通過對(duì)比表2、表3治理前后的數(shù)據(jù)可知各次諧波畸變率均得到了很大程度的抑制。通過表4中的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，各治理點(diǎn)的總諧波畸變率下降了50%到80%不等，治理后的最高諧波畸變率在6%以下；在有效治理諧波畸變率的同時(shí)，APF設(shè)備將平均功率因數(shù)由0.88提高到了0.97；并有效降低了大部分測(cè)試點(diǎn)的零線電流。

以上數(shù)據(jù)表明，在400V公用電網(wǎng)配電室加裝APF設(shè)備，至少將帶來如下收益：

1）抑制諧波電流，從而有效減少諧波對(duì)變壓器造成的損害，延長(zhǎng)了變壓器壽命。降低由于諧波產(chǎn)生的線損增加。減少5，7次諧波流入上級(jí)電網(wǎng)，避免造成諧波污染的進(jìn)一步危害；

2）降低三相不平衡度，減小零線電流。大大降低了由于零線電流過大造成的由于零線過熱而發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）減少諧波對(duì)居民用電設(shè)備的損害，有效延長(zhǎng)居民用電設(shè)備壽命，減少因諧波帶給用戶的經(jīng)濟(jì)損失，社會(huì)效益顯著；

4）大大降低了400V居民用戶的無功占用，提高了居民用電的電能質(zhì)量，降低了設(shè)備故障率，節(jié)約了電網(wǎng)投資，具有顯著的社會(huì)效益。

[1]王葵，李建超，潘貞存，侯源紅，吳欽坊.居民用戶諧波調(diào)查及仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)及控制，2008，36（22）：88-103

[2]湯玉明.住宅小區(qū)公用電網(wǎng)諧波治理方案[J].電力需求側(cè)管理，2010，13（1）：49-52

[3]王兆安等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006