抽水蓄能电站网侧谐波分析与消除

泰 荣，李子龙，王 熙

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北省武汉市 430000）

0 引言

静止变频器（SFC）广泛应用于大型抽水蓄能电站机组抽水工况启动，满足机组电动机工况并网需要。静止变频系统（SFC）的核心部分由相控整流器和有源逆变器组成，通过对非线性半导体功率器件的开关控制，实现变压、变频[1]。SFC装置运行时，向电网注入大量高、低次谐波电流。谐波严重影响厂用电系统和其他设备，甚至导致设备停运[2]。

分析机组抽水启动过程中的谐波并将其消除，可极大地改善电网环境。目前多采用无源调谐滤波器抑制谐波，但补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易导致系统发生并联谐振，LC滤波器过载甚至烧毁[3]；此外无源滤波器对低次谐波滤除效果也不理想，尤其频率接近基波的谐波无法滤除；因负载换向变频启动的力矩脉动造成的网侧电流不平衡，无源滤波器无法补偿。有源滤波器可以动态实时补偿谐波，且补偿特性不受电网阻抗的影响，从而有效滤除谐波。

本文对静止变频器装置（SFC）拖动机组过程中的电网侧谐波进行详细分析，研究了有源滤波器（APF）消除网桥侧谐波的方法，最后基于MATLAB对其结果进行了验证。

1 SFC传动系统谐波分析

静止变频系统（SFC）是由整流器和逆变器组成的一个晶闸管负载换流（LCI）交流电机调速系统[4]，其拓扑结构如图1所示。

图1 SFC系统示意图Figure 1 System diagram of SFC

此变频器采用的是交—直—交的拓扑方式，其中整流桥将交流变换成直流，整流桥特性忽略整流过程中的换相过程和直流侧电流脉动，假定交流侧电抗为0，直流电感足够大。根据傅里叶分解，十二脉波整流器电流的特征谐波为12k±1次，公式如下[5][6]：

式中：isa为整流桥网侧电流；Id为直流侧平均电流；k为谐波次数。负载换流式变频器在拖动同步电机的初始阶段，因电机的反电动势低导致无法进行晶闸管自然换向，故拖动的全过程分为低速脉冲耦合阶段和高速自然换向阶段[7]。低速脉冲耦合阶段网侧典型电流波形及其傅里叶分解频谱图如图2、图3所示。

图2 低速阶段网侧电流isa 1—强迫换相期间网侧电流Figure 2 Grid-side isa in the low-speed period

图3 低速阶段网侧电流isa频谱图Figure 3 Spectrum diagram of grid-side isa in the low-speed period

从图2中可以看出，网侧电流含有11、13、15等12k±1次特征谐波，电流谐波总含量THD=11.49%，明显超过国际标准5%的范围。各次谐波电流数值如表1所示。

高速自然换相阶段SFC网侧电流波形及其傅里叶分解频谱图如图4、图5所示。

图4 高速阶段网侧电流isaFigure 4 Grid-side isa in the high-speed period

图5 高速阶段网侧电流isa频谱图Figure 5 Spectrum diagram of grid-side isa in the high-speed period

表1 各次谐波电流数值Table 1 Each harmonic current value

从图4、图5可以看出，高速阶段的波形除明显的谐波超标外，THD=16.55%，此之外还有低次非特征谐波。

2 有源滤波器原理

针对上述的静止变频系统的谐波分析可知，无源滤波器仅仅对高次谐波的滤除效果好，对低次谐波和不平衡电流的补偿效果很差或几乎没有。有源电力滤波器可以用于滤除34次以下的特定次谐波[5]。基于IGBT并联型有源电力滤波器通常存在PWM逆变器和主控制部分，其结构示意如图6所示。

如图6所示，通过实时检测负载电流iL和进线电压，计算出谐波补偿电流瞬时参考值ic*，根据补偿电流指令信号ic*和实际补偿电流ic之间的差别，生成主电路各个器件通断的PWM信号，保证补偿电流ic实时跟踪其指令信号ic*，抵消负载电流中谐波部分，使网侧电流is不含谐波，实现滤波的目的[8]。

为了消除谐波，需进行谐波检测。根据瞬时功率和坐标变换理论，对于三相平衡系统，当系统含有谐波成分时，Park变换后电流可分为直流分量和交流分量，其中基波对应直流分量，谐波对应交流分量，去除其变换后的交流分量，将其直流分量进行反变换得到负载电流基波分量，将负载电流减去基波分量即可得谐波分量。其中负序电流变换后为一个2倍频的谐波，可低通滤波器滤除[8]。基于此的ip、iq检测谐波方法原理如图7所示。

图6 并联型有源电力滤波器结构示意图Figure 6 Schematic diagram of shunt active power filter

图7 ip-iq检测法原理图Figure 7 Principle of ip-iq detection

图7中，将采样的三相电流ia、ib、ic和进行Park坐标变换（d轴与A相重合），分离出有功和无功电流ip、iq。低通滤波器的作用是得到有功和无功电流的直流分量。最后在逆变换之后，与三相电流做加减运算，可以得出谐波指令电流。其中坐标变换矩阵[8]

为Clark变换及其反变换矩阵。

为Clarkαβ坐标系与Parkdq坐标系之间的变换矩阵。

3 谐波补偿效果

基于MATLAB仿真软件，对机组变频启动过程中进行仿真，并分别对投入有源电力滤波器前后的波形进行对比，通过快速傅里叶变化分析网侧电流的总谐波含量。低速脉冲耦合阶段SFC网侧补偿前的电流波形、补偿后的网侧电流波形如图8、图9所示。

从图8~图10中看出，低速阶段补偿前的网侧电流畸变严重，补偿后网侧电流呈正弦化，电流畸变率THD=1.51%，符合国际标准对谐波的要求，谐波含量如表2所示。

图8 低速阶段补偿前的网侧电流isaFigure 8 Grid-side isa before compensation in the low-speed period

图9 低速阶段补偿后的网侧电流isaFigure 9 Grid-side isa after compensation in the low-speed period

高速自然换相阶段SFC网侧电流补偿前后的波形如图11、图12所示。

图11和图12是高速阶段的网侧电流补偿前后波形图，从中可知，高速阶段网侧电流波形不仅仅会出现严重的谐波，而且电流也会出现严重的不平衡的情况，对电网和厂用电设备造成严重的危害，在投入滤波器后，网侧电流谐波和不平衡的情况均得到了消除，此时THD=0.41%，使网侧电流为标准的正弦波。消除了SFC拖动机组对电网的谐波危害。

图10 低速阶段补偿后的网侧电流isa频谱图Figure 10 Spectrum of grid-side current isa after compensation in low-speed period

表2 各次谐波电流数值Table 2 Each harmonic current value

图11 高速阶段补偿前的网侧电流isaFigure 11 Grid-side current isa before compensation in the high-speed period

图12 高速阶段补偿后的网侧电流isaFigure 12 Grid-side current isa after compensation in the high-speed period

图13 高速阶段补偿后的网侧电流isa频谱图Figure 13 Spectrum of grid-side current isa after compensation in high-speed period

4 结论

静止变频器（SFC）在拖动机组抽水过程中，因非线性的电力电子负载和拖动力矩脉动，造成网侧电流畸变严重和不平衡，在SFC网侧并联一台有源滤波器，利用其对谐波频次无要求和动态滤波的能力，实时补偿抵消谐波电流，低速阶段将电流谐波含量THD从11.49%降至1.51%，高度阶段的电流谐波含量THD从16.55%降至0.41%，且消除了电流不平衡情况，仿真结果表明在SFC的高压侧装设适当容量的有源电力滤波器，可实时补偿任何谐波，极大的改善电网环境，保证电网的可靠运行。