基于PPF的配网谐波治理仿真研究

刘林，张艳华，席先鹏，王兴成

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)



基于PPF的配网谐波治理仿真研究

刘林1，张艳华1，席先鹏2，王兴成2

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

为了降低谐波对电网的不良影响，借助Matlab软件，搭建配网模型和谐波源模型，并利用电力无源滤波器对配网谐波进行治理研究，采用功率因数法和最小滤波电容安装法来设置滤波器的电力参数，通过Simulink仿真，都达到了比较好的谐波治理效果，在此基础上提出了考虑配网背景谐波的改进型最小滤波电容安装法，通过仿真发现配网的总谐波畸变率和含有率更小，达到了更好的谐波治理效果，而且更经济。在滤波器设计中应充分考虑交流系统背景谐波和系统阻抗对谐波治理效果的影响，这会使谐波治理的效果更好，更经济。

谐波源；Matlab仿真；背景谐波；功率因数法；最小滤波电容安装法

1 引言

随着电力系统的快速发展，电网中出现了大量非线性负载和电力电子装置，造成配网中谐波污染日益严重，加快电网谐波治理，提高配网电能质量显得尤为重要和迫切。

目前主要是从改造谐波源本身和加装谐波抑制装置两方面入手。文献[1]指出了谐波的危害是多方面的，如给电动机带来附加损耗，可能导致并联电容器和系统中其它元件在某个频段才生谐振，引起变压器局部过热和运行噪声大，使继电保护装置误动等。文献[2]从谐波主动治理和被动治理两个角度阐述了现有的常用谐波治理方式和未来谐波治理的发展趋势，被动治理主要是应用无源电力滤波器 (Passive Power Filter，PPF)和有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)来治理，低压配网的谐波治理理论已达到了工业应用水平，但中高压电网的谐波治理还有待进一步研究。文献[3-5]提出了考虑电压电流谐波含量、滤波器初期投资、无功功率补偿容量等多目标约束条件，并结合遗传算法来进行谐波治理装置的优化设计。文献[6]提出了通过电流源来模拟谐波源的方法，并结合实际的谐波数据和Matlab软件展开了对谐波治理的仿真研究，设计出了电流型谐波源负载的黑盒模型。文献[7]中针对APF补偿谐波电流时易产生较大的纹波，提出了简单实用的LCL滤波器设计方法并进行了实验验证。

以上文献都没有考虑到背景谐波对无源滤波器参数的影响，本文从考虑背景谐波入手，在利用功率因数法和最小滤波电容安装法对配网的谐波治理进行了仿真研究的基础上提出了改进型的功率因数法，使无源滤波器的相关参数设置更合理。

2 滤波器参数设计的理论分析

2.1 用户电流数据分析

该数据来源于一个耐磨制品厂，因本次实验主要用到电流谐波数据，在仿真中主要用到了A相的数据，其它两相仿真原理一样，所以在仅列出A相电流经傅里叶分解后的参数，并与国标比较后标注了超标了的谐波。具体参数如表1和表2所示。根据表1中的数据，可以看出5、7、11、13、17、19、25次谐波电流均出现超标；从电流波形来看，谐波电流的存在使基波电流的波形畸变严重，与标准正弦波的波形相差大。根据表2可看出电压谐波里含量大的主要是奇次，其中5、7、11、13、17、19、25次谐波都超标。

2.2 功率因数法配置滤波器的参数

对于一般工厂，要求月平均功率因数在0.9以上，一般都需要进行无功功率补偿，该方法正式从无功容量入手，对无源滤波器的参数进行配置。设定初始配网功率因数为0.85，经滤波后的功率因数为0.95，最佳调谐锐度值Q取50。根据表1和表2可算得A相的相电压U相、相电流I相、总有功P、总无功功率Q等。相关计算公式参照文献[9]，表示如下：

接下来是确定滤波装置总的待补偿基波无功容量Qc计算公式为:

Qc=Pc(tanφ1-tanφ2)

其中，Pc为工厂月最大有功计算负载，φ1为补偿前功率因数角，φ2为补偿后功率因数角，一般取0.92～0.95。

其次，将总的无功容量分配到各个调谐及高通滤波器上。工程上，常常按流过该次滤波器的电流I(n)大小来分配其单调谐滤波器上的无功补偿容量Qfn。其中:

表1 A相谐波电流统计报表

表2 A相谐波电压统计报表

在确定了某单调谐滤波器的无功补偿容量后，根据滤波器的基波无功补偿容量Qfn与滤波器电容器的基波无功补偿容量关系为:

得电容值

再由电容C确定电感L如下：

在谐振频率fs下，L或C的电抗X与电阻R的比值为Q。

其中，Q称为滤波器的调谐锐度，或电感线圈的品质因数，一般最佳Q值在30～60的范围内。根据以上公式并结合表1和表2中的数据，算得各滤波器的参数表3所示。

表3 功率因数法下的各滤波器参数

2.3 最小安装法配置滤波器的参数

图1 单调谐滤波器模型

谐波电流产生的容性无功：

则安装容量

再根据各个调谐支路的最小安装容量计算出各调谐支路的滤波参数C、R、L。即：

根据以上公式并结合表1和表2中的数据，算得各滤波器的参数如表4所示。

2.4 改进型的最小安装容量法

考虑到交流系统中的背景谐波的影响，首先将原始数据中谐波电流超标了的均增大10%，再以此增大后的谐波电流作为最小安装容量公式

表4 最小安装法下的各滤波器参数

根据相关公式并结合表1和表2中的数据，算得各滤波器的参数表5所示。

表5 改进型的最小安装法下的各滤波器参数

3 仿真设计

3.1 搭建谐波源模型

一般要模拟实际的谐波源往往比较困难，以前用整流模块来模拟具有整流性质的用户负载，但是仿真过程中的谐波与实际负载谐波很不一样，那么用设计的滤波器来滤除实际的负载谐波，不仅可信度不高，而且效果也不是很好。参照文献[10]的方法，利用电流源叠加的方式来模拟实际负载产生的谐波，结合表1和表2中的数据，搭建电流谐波源仿真图如图2所示,模拟的谐波源效果如图3所示。

3.2 搭建仿真系统

考虑到谐波的产生大多是由于电力电子设备和非线性负载连接到电网中运行，于是用三相电源和RLC负载模拟主电网，用谐波源来模拟配网中的用电企业，

用3个单调谐滤波器和一个高通滤波器来抑制用电负荷产生的谐波，具体的总仿真系统图如图4所示。仿真图4中的Subsystem是封装好的谐波源子模块，其内部结构图如图2所示。

图2 电流源叠加模拟谐波源

图3 模拟谐波源产生的谐波

图4 配网系统谐波治理仿真图

3.3 仿真结果比较

根据表3～表5中的数据，设置滤波器参数，完成仿真调试。在加入谐波滤波装置前的配网电流波形如图5所示。

根据上述三种滤波方案滤波，得到的滤波效果图如图6所示。

通过直观地看滤波波形，都还比较理想，但通过电流波形傅里叶分析后，发现滤波后，配网电流中的谐波含量和谐波畸变率还是不一样的，具体结果如表6所示。

图5 含谐波的配网电流波形

图6 滤波后的配网电流波形

表6 谐波治理效果比较

各项指标方案一方案二方案三滤波前总谐波畸变率%23 0423 0423 04规定的总谐波畸变率限值%4 04 04 0滤波后总谐波畸变率%1 720 840 63

4 结论

在设计滤波器时要考虑系统阻抗对滤波效果的影响，当计及交流系统阻抗时，滤波的效果就应由滤波器和交流系统的综合阻抗来确定。除了考虑现有的负载谐波，还要考虑到电网本身的谐波，并在设计时还应考虑留一定的裕量，因为滤波器扮演的角色不仅是滤波，还要对系统进行无功功率补偿。本次实验对滤波器的参数设置进行了改进，使滤波效果更好，但不足之处是滤波器的参数设置是固定的，不能根据系统谐波含量的变化来实时调整滤波参数，不适用于负载变化较大的系统。

[1] 杨胜峰.谐波的危害和治理方法[J].盐业与化工,2014,7:51-53.

[2] 罗安，吴传平，彭双剑.谐波治理技术现状及其发展[J].大功率变流技术,2011,6:1-5+9.

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Simulation Research on the Distribution Netwrok Harmonic Control Based on PPF

LIULin，ZHANGYan-hua，XIXian-peng，WANGXing-cheng

(Electrical Engineering and New Energy College,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

With the help of Matrix Laboratory software,this paper build a distribution network model of harmonious waves,and use the passive power filter to governance research of distribution network harmonic,power factor method and minimum filtering capacitor installation method is used to set the filter of electricity parameters,by Simulink simulation,has achieved a good result for harmonic governance,based on this put forward considering the distribution network background harmonic modified minimum filter capacitor installation method,the simulation found that the distribution network of a smaller total harmonic distortion rate and the containing rate,achieved better effect of harmonic governance,and more economical.In the filter should be fully considered in the design of communication system background harmonic and the effects of the system impedance to harmonic governance will make harmonic treatment effect is better,more economic.Key words：harmonic source;matlab simulation;background harmonic;the power factor method;minimum filter capacitor installation method

1004-289X(2015)04-0061-05

TM761

A

2015-01-04

刘林(1989-)，男，湖北公安人，硕士研究生，主要从事电力系统运行与控制，配电网的电能质量优化控制方面的研究。