400V公用电网谐波治理实证研究

2013-07-17匡华

中国科技信息 2013年2期

匡华

云南电网公司曲靖供电局 655000

引言

随着智能电网技术的发展，电能质量问题收到了越来越多的重视。目前不仅输电网中的谐波问题受到了广泛的关注，配电网中的大型、集中谐波源也受到了越来越多的重视。而与我们日常生活关系最紧密的400V电网中，数量巨大的小型非线性谐波源却还没能受到应有的重视。目前400V公用电网中的主要部分居民用电占用电总需求的12%，已经是不可忽视的部分，而美国目前是36%，这说明我国居民用电还有非常大的增长空间，从而使得400V公用电网的谐波治理具有现实意义和长期意义[1]。

从另外一个角度看，目前对400V公用电网的谐波危害和治理的研究国内还很少，在英国进行了相关类似的抽查分析，可以在这里作为参考。这个调查侧重于分析由谐波电流、对地泄露电流和电压扰动所造成的计算机停机方面的问题。随机对45家在公共事业、商业和工业方面的用户电气工程师进行抽查，电能质量问题出现的频率见表1[2]。

表1 电能质量问题出现的频率[2]

从以上数据可知由于谐波造成公用电网停机事故的频率很高，在所有3类用户每年事故报告在12次以上的均在60%以上，而每年至少1次事故报告以上的均在80%以上。

因而对400V公用电网谐波的现状和治理进行实证研究具有十分重要的意义。

1 测试点选择和谐波分析

为了更准确掌握400V公用电网的谐波现状，并使测量点能够更好代表400V电网用户的多样性。云南省曲靖供电公司对其辖区内的4个居民小区配电间、1个商业用户以及1个公共事业用户进行了实际测量。

4个居民小区中，古城小区是一个相对较老的小区，居民电器的数量和种类都相对较少，变频设备数量相对较少；阳光小区是曲靖较高级的小区，居民电器的数量和种类都比较多，变频设备也比较多，由于配电间数量较多故选择了两个负荷率比较高的配电间进行测量；东兴小区的情况则介于古城小区和阳光小区之间；汇宝酒店是集餐饮、住宿和KTV于一体的大型商业场所具有比较强的代表性；广电局的负荷中既包含了一般办公楼负荷如电脑、日光灯和大型空调，还包括了数据中心和演播大厅等特殊负荷极具代表性。具体测试数据见表2。

本文中的测试用户均为居民用户和商业用户，测试点选择在变压器400V母线侧。这些用户的具有如下特点：

1）谐波源设备主要为家用电器；

2）谐波源设备使用的时段集中；

3）谐波源设备分散，数量众多，单体谐波电流绝对值小。

表2 400公用电网用户谐波实测数据

实际测试数据、电流趋势图和电流畸变率趋势图也体现出相应特点：

1）谐波电流以3次、5次、7次为主；

2）家用电器高级的用户、变频设备多的用户谐波畸变率高；

3）电流畸变率波动很大，没有规律可循；

4）谐波电流幅值波动很大，有一定规律；

5）谐波电流在用电高峰时段，也就是晚上6点至9点时及凌晨6点至早8点最高。而汇宝酒店和广电局则分别在晚上8点～11点和办公时间内谐波电流含量最高；

图1 测试点电流趋势图

图2 测试点电流畸变率图

6）由于曲靖地区，气候宜人，夏季并不炎热，所以基本上没有居民用户安装空调，否则的话谐波畸变率还可能更高。

2 谐波治理的手段

所谓电流谐波治理就是清除掉电网中非基波频率的其他频率的谐波，保持电网清洁。电流谐波治理的方法主要有两种：其一是制造针对特定频次谐波的低阻通道，使得特定频次的谐波全部流过低阻通道，从而保持电网清洁；另一种就是制造与谐波频率相同、幅值相同但是相位相反的波形，对电流进行跟踪补偿，时时刻刻的抵消谐波，保持电网清洁。

治理谐波的传统手段LC滤波器，采用的就是第一种方法。LC滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器，电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。LC滤波器又分为单调谐波滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置[3]。其原理为通过LC电路谐振原理，制造针对特定次数谐波的低阻通道，使得该次谐波通过此LC电路，从而达到滤波的目的。

以单调谐滤波器为例，滤波器对n次谐波（ωn=nωs）的阻抗为

式中，下标fn表示第n次单调谐滤波器。

应用L、C串联谐振原理，当谐振次数n为

则

也就是此回路阻抗最小，所以n次谐波由此回路分流，而其他次谐波

所以分流也很少。从而无源滤波器达到了滤波的效果。

高通滤波器和双调谐滤波器的工作原理基本和单调谐滤波器相同，区别在于高通滤波器主要和单调谐滤波器配合使用，用于滤除某一频次以上的其他频次谐波，而双调谐滤波器则主要用于滤除两个频次的谐波，例如3次和5次谐波，但由于参数配置难度很大，所一般很少应用双调谐滤波器。一般情况下无源滤波器配置为若干个单调谐滤波器和一个二阶高通滤波器，如图4所示。

无源滤波器的优点很突出：结构简单、造价低。

无源滤波器的缺点更突出：

第三步总分计算。在对图书馆15项指标全部计算后，相加得到总分。这时的总分并不是HAPLR分数，HAPLR分数=总分÷总权重29÷此类总馆数[10]。对得到的HAPLR分数进行比较，得到公共图书馆的排名情况。

1）只能补偿特定频率的谐波电流，当负荷变化导致谐波电流成分变化时无法进行补偿；

2）无源滤波器的补偿特性受电网阻抗特性的影响，当系统阻抗变化时，滤波效果变差；

3）电网中接入新的谐波源时，可能导致无源滤波器过载，甚至设备损坏；

4）在特定频率下，可能发生LC电路和电网阻抗间的并联谐振，使得电网中的谐波源注入LC电路，导致滤波失效，甚至设备损坏。

对比无源滤波器的缺点，有源滤波器，即APF：Active Power Filter，具有更多的优点。APF是基于瞬时无功功率理论研究发展而来。APF设备利用瞬时无功功率理论检出负荷的当前时刻谐波成分，然后利用逆变技术发出需要补偿的谐波电流；它相当于一个谐波发电机。

APF进行谐波补偿的工作原理是设备的控制系统首先通过测量电路获得接入点电压、负荷电流、设备输出电流、补偿后的系统电流、直流电容器电压等信号，利用测量所得信号检出负荷电流的各次谐波分量等补偿量，作为设备的输出电流参考信号，进而控制系统的数字信号处理器根据电流参考信号计算得出对逆变器的PWM控制脉冲，并通过控制电路驱动逆变桥的电子开关器件（IGBT），从而输出相应的谐波等补偿量，实现补偿功能。 APF设备工作的电路原理如图5所示。

基于APF的工作原理，所以其具有如下优点：

2）可以同时滤除多次及高次谐波；

3）不会引起并联谐振，没有影响电网稳定运行的风险；

4）在滤波的同时兼顾无功补偿，保证功率因数在0.95以上。

由于所选测量点的电流谐波分量变化剧烈，且毫无规律可循，可预测无源滤波器无法达到很好的滤波效果。且根据实际工程经验，居民小区配电房常规配置的电容补偿装置经常由于谐振导致电容故障，甚至影响居民正常用电。故本项目选择有源滤波器进行谐波治理。

在测量点的母线加装相应容量的APF投入运行后，在加装前进行测量的统一测试点进行了谐波数据的测试，得到数据如表3所示。