錢葉牛1，史江凌2，強  晟3，汪劍波2，孫  健1

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

摘  要： 首先介紹了單調諧和二階高通濾波器的基本結構和工作原理，然后以某用戶等離子體點火器為研究對象進行諧波測試分析，并且詳細介紹了濾波器設計過程，最后利用PSCAD搭建仿真環境驗證濾波器濾波效果。仿真結果表明，所設計的濾波器有效抑制了用戶配電系統中諧波電流，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準要求，同時還提高了功率因數，優化了用電環境。

關鍵詞： 電能質量；諧波電流；濾波器；仿真分析

0 引言

　　隨著電力工業和電力電子技術的飛速發展和逐步成熟，現代大中型企業非線性負載比重日益增加，容量不斷擴大，特別是晶閘管整流、變頻調速等裝置在工業生產中愈來愈廣泛地應用以后，向電網注入了大量諧波電流，使供電電壓波形畸變，電網電能質量下降，同時也給連接于同一電網系統的其他用電設備帶來了不利影響和危害。

　　為了保障廣大用電客戶和電網企業的權益，1993年國家技術監督局正式頒發了國家標準《電能質量 公用電網諧波》(GB/T 14549-1993)，該標準規定了公用電網諧波電壓限值和用戶注入公用電網諧波電流限值，為用戶制定諧波治理方案或措施提供了依據[1]。

　　有效解決諧波源設備的諧波污染問題有兩個基本方法：一是裝設諧波補償設備來補償諧波；二是對諧波源設備本身進行改造，使其不產生諧波。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進行集中治理，因而在實際工程中得到廣泛應用。

　　諧波補償設備就近吸收諧波源所產生的諧波電流，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、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，因而被廣泛使用。有源濾波器是新一代諧波補償設備，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、維護復雜等因素，在我國應用還不廣泛。

　　無源濾波器主要由電容、電感、電阻元件串并聯組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式是提供諧波電流旁路通道。無源濾波器根據在電網中的連接形式可以分為并聯、串連和混聯三種，其中并聯濾波器是應用最為廣泛的一種；根據結構的不同，又可以分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器及高通濾波器等幾種。在實際應用中單調諧濾波器和二階高通濾波器使用較為廣泛[2-4]。

1 單調諧濾波器的設計

　　1.1 工作原理

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

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

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

　　1.2 參數確定

　　由于三相濾波器各相相同，所以只研究一相的參數。假設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的諧波，而其他次數的諧波分量一般很小，可以忽略，即可認為母線電壓只含基波分量。

　　由式(2)可以確定電容器C值為：

　　單調諧濾波器的品質因數較大，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，需要結合系統的特點選擇合適的q值[5-7]。

2 二階高通濾波器的設計

　　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呈現為低阻抗，形成對次數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頻率變化的影響很小，也不靈敏，但損耗較單調諧濾波器大。

　　2.2 參數確定

　　工程應用時，為了簡化計算，通常采用單調諧濾波器C、L確定方法確定電容和電感值，即式(3)和式(4)。但品質因數除外，為相應單調諧濾波器q的倒數，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鍵之一。設濾波器總無功補償容量為QC1，可由式(8)確定。

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

　　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比值，(I/hj)為所有濾波支路需濾除的諧波電流與諧波次數的比值和。

4 等離子體點火器諧波治理仿真實例分析

　　某用戶供配電系統如圖4所示。該系統有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載，實測功率因數為0.65，它產生的諧波電流通過變壓器注入PCC處；1 200 kVA等效負荷由80%電動機負荷和20%靜態負荷構成，功率因數為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，進行濾波方案的設計，并且觀察濾波效果。

　　4.1 諧波測試

　　依據GB/T 14549-1993，對該用戶進行了諧波測試，測試時間為24 h，測試儀器為美國電力士電能質量分析儀（儀器編號 PVUSIA157、PVUSIA158），測試點（諧波監測點1和諧波監測點2）位置如圖4所示，諧波測試數據如表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、電流波形發生了嚴重的畸變。

　　4.2 諧波電流限制指標

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

　　4.3 諧波電壓限制指標

　　根據GB/T 14549-1993，電力系統正常運行條件下，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%。

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

　　4.4 濾波支路參數計算及仿真分析

　　4.4.1 濾波支路參數計算

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

　　根據上述無源濾波器設計方法計算可得，各濾波支路的參數如表5所示。

　　4.4.2 仿真分析

　　在PSCAD中建立系統仿真模型，單調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、電流數據如表6和表7所示，波形如圖11～圖16所示。監測點1處和監測點2處母線電壓總諧波畸變率分別為1.83%和4.12%，均在國標限值范圍內。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，濾波器達到了預期的濾波效果，同時濾波器發出320kvar容性無功，使負載功率因數補償至0.984。

5 結論

　　電能質量關系到電網可持續發展，是實現節約型社會的必要條件之一。諧波作為電能質量的一項重要指標，直接反映了電網受污染的程度。無源濾波器具有結構簡單、技術成熟、造價低廉等優點，是目前廣泛應用的諧波治理技術。

　　本文在充分了解單調諧濾波器和二階高通濾波器的基本結構和工作原理的基礎上，針對某用戶的等離子體點火器運行時向電網注入諧波電流，導致電網電壓、電流波形發生畸變的問題，使用電能質量分析儀對現場諧波源負載處和PCC處進行了諧波發射量實測，并設計了濾波器抑制諧波源負載產生的諧波電流注入電網，再利用PSCAD搭建仿真環境驗證濾波器濾波效果。仿真結果表明，所設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準要求，并且在濾波的同時還向電網注入容性無功，改善了功率因數，避免了供電公司的考核和罰款。

參考文獻

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

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

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