有源电力滤波器的选择

罗弼璠

摘要：由于中国的工业起步较晚，产生高次谐波的电力设备不多，电力设备对电能质量的要求也不高，故在十几年前的电气设计当中，很少设计到谐波问题，更不用说要做谐波处理了。但是随着我国工业的发展，不管是工业还是民用上，各种各样的电力设备出现，如工业中的整流器、家庭中的空调、微波炉等等，而且现在的电力设备对电能质量要求越来越高，那么谐波的处理在今天就显得尤为重要。

关键词：电子技术；电能质量；谐波

Abstract: as China's industry starts later, high-order harmonic generation of power equipment, electrical equipment on power quality requirements are not high, so in more than a decade ago, electrical design, rarely designed to harmonic problems, not to mention the harmonic treatment. But as China's industrial development, whether industrial or civil, various power equipment, such as industry, the rectifier family air conditioning, microwave ovens, and now the power equipment on electric energy quality demand is higher and higher, so the harmonic treatment is particularly important in today.

Key words: electronic technology; power quality; harmonic

中图分类号： TV212 文献标识码：A文章编号：

有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

由于中国的工业起步较晚，产生高次谐波的电力设备不多，电力设备对电能质量的要求也不高，故在十几年前的电气设计当中，很少设计到谐波问题，更不用说要做谐波处理了。但是随着我国工业的发展，不管是工业还是民用上，各种各样的电力设备出现，如工业中的整流器、家庭中的空调、微波炉等等，而且现在的电力设备对电能质量要求越来越高，那么谐波的处理在今天就显得尤为重要。

谐波的产生：

在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz 为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。因此，谐波含量是电力质量的重要指标之一。接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓“稳定的谐波”电流是指这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为“波动的谐波”，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。

有源电力滤波器的选择：

谐波计算是一个非常困难的问题，往往工程计算的谐波计算值和实测的相差甚远（因为电力系统中的谐波源太多和不明确），因此在很多工程前期的电气设计当中，有源电力滤波器的选择不能依靠工程计算的方法选择，顶多只能作为一个参考，只有等到实际运行过后，通过实测系统中的谐波值，具体选择有源电力滤波器，但如果我们知道系统中的谐波源或者有参考值，我们就可以通过计算，得到相对准确的数据来选择有源电力滤波器。

我们来看一个实例，丰田合成（张家港）塑料制品有限公司（一期工程）10KV变电站由三力变2号主变131丰田线供电，非专线，用户协议容量为5MVA（2X2500KVA），供电协议容量为三力变2号主变40MVA，三力变2号主变10KV正常方式下短路容量为155MVA，现要新建二期工程，也由三力变2号主变131丰田线供电。

二期工程和一期工程基本相似（设备性质和设备容量几乎相同），通过计算，二期工程也选择两台2500KVA的变压器。那么，本次谐波电流计算依据为：丰田合成（张家港）塑料制品有限公司（一、二期工程）10KV变电站由三力变2号主变提供一路131丰田线供电，非本用户专线，用户协议容量为10MVA（4X2500KVA），供电协议容量为三力变2号主变40MVA，三力变2号主变10KV正常方式下短路容量为155MVA。

由于一期工程已经投入运行，二期工程和一期工程基本相似，我们可以认为二期工程的高次谐波值等同于一期工程（工程近似计算），因此通过实测一期工程的高次谐波值，就可以选择有源电力滤波器了。当电容投入时谐波电流允许值及测量值如下表：

表1

表2注入公共连接点的谐波电流允许值

以5次谐波计算为例：

谐波电流允许值计算，

10KV公共接点允许谐波电流

式中：Sk1 ── 公共连接点的最小短路容量,MVA；

 Sk2 ── 基准短路容量，MVA；

 Ihp ── 表2中的第h次谐波电流允许值，A；

 Ih── 短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。

本用户允许注入10KV公共接点谐波电流

式中：Ih───按附录B换算的第h次谐波电流允许值，A；

 Si───第i个用户的用电协议容量，MVA；

 St───公共连接点的供电设备容量，MVA；

α───相位迭加系数，按表3取值。

表C1

───┬───┬───┬───┬──┬──┬──────

h │3 │5 │7 │11│13│ 9|>13| 偶次

───┼───┼───┼───┼──┼──┼──────

α│ 1.1│ 1.2│ 1.4│1.8 │1.9 │2

───┴───┴───┴───┴──┴──┴──────

根据一期工程实测数据计算（同次谐波叠加），（计算值）



表C2

───┬───┬───┬───┬───┬───┬─────────

h │3 │5 │7 │11│13│9|>13|偶次

───┼───┼───┼───┼───┼───┼─────────

Kh│ 1.62 │ 1.28 │ 0.72 │ 0.18 │ 0.08 │ 0

───┴───┴───┴───┴───┴───┴─────────

同理可计算其它次谐波允许值和计算值，如下表：

根据以上计算数据，仅5次谐波超标，而且尤为严重。

5次谐波超标

折算到380V侧

假设两台2500KVA的变压器平均分配高次谐波负荷，那么应在低压侧分别并联两台0.4KV、100A（共200A，留有余量）有源电力滤波器，以滤除5次谐波为主，同时也可消除系统中其它次谐波。

实践证明，以上计算能够满足工程要求，在实际工程设计过程中，如果系统中谐波源很少而且已知谐波数据，也完全可以通过以上计算方法计算选择有源电力滤波器。

参 考 文 献:

［1］ WANG Z，XIE C，HE C，et a1． A waveform control technique for

high power shunt active power filter based on repetitive control al-

gorithm［C］/ / Conference Proceedings-IEEE Applied Power Elec-

tronics Conference and Exposition-APEC， February 21 － 25，

2010，Palm Springs，USA，2010: 361 － 366．

［2］ PENG F Z，LAI J S． Generalized instantaneous reactive power

theory for three-phase power systems ［J］． IEEE Transactions on

Instrumentation and Measurement，1996，45 ( 1) : 293 － 297．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。