摘要：我国电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为 50Hz 的正弦波，但是由于非线性用电设备的大量应用产生了畸变谐波电流，从而耦合产生谐波电压。谐波是电能质量的重要指标，谐波的存在将对电力系统中精密仪器及通信设备产生干扰、降低电力系统效率、继电保护误动作等危害，谐波的治理方式可采用无源滤波和有源滤波两种方式，从基于有源滤波的工作原理、治理方式、容量计算等方面阐述对电能质量的检测与治理。
关键词：电力系统；谐波；有源滤波
引言：“高频电子线路”是一门知识点较多、难度较大的课程，学生学习起来较为吃力。做好“高频电子线路”在课程教学研究中的应用工作极为必要，通过创新课程教学方法与优化考核机制能够培养出适应工程应用背景的通信人才，从而促进通信工程行业的长足进步。
针对目前电力系统存在的电能质量问题, 为大功率电力电子器件的普遍应用造成的谐波污染问题和负载无功功率需求过大引起的电压波动问题, 可同时对系统谐波和无功需求进行补偿的有源滤波器(APF)进行电能质量的改善 , 其谐波检测基于瞬时无功功率理论的 I p -I q 电流法, 结构使用具有投切灵活、保护装置简单的并联型 APF , 并采用滞环电流控制。 通过 M ATLAB/ SIM ULINK 仿真证明了 APF 对系统电能质量改善的有效性。
1谐波危害分析
评价电能质量标准有三方面：
1.1系统电压，包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；
1.2频率波动；
1.3电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。
谐波对电晕其实和熄灭的影响是峰一峰电压的函数。峰值电压与谐波和基波的相角关系有关，所以即使有效值电压在限值以内而峰值电压高出额定值也是可能的。因此，在输电线路的设计中要适当考虑这一影响，以降低事故的可能性。
超高压长距离输电线路，常采用单相自动重合闸来提高电力系统稳定性。娇大的高次谐波电流（几十安培以上）能显著地延缓潜供电流熄灭，导致单相重合闸失败或不能采用较小的自动重合闸时间，不利于系统稳定运行。
2 APF 的组成、谐波电流检测及控制技术
2.1APF的组成
有源滤波器主要由 4 个部分构成 ,其工作原理主要是谐波检测环节、控制系统、主电路以及耦合变压器环节。谐波检测环节快速检测出谐波源的谐波 ,并与有源滤波器产生的谐波比较, 根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给控制系统中的触发脉冲发生部分 ,而触发脉冲发生部分根据此信号产生驱动脉冲去驱动主电路中的变流器,使其产生的谐波电压或电流与所需的电压或电流相等, 达到谐波补偿的目的 。主电路一般分为三相三线制和三相四线制两种,其中三相四线制用于 380 V 系统中。耦合变压器的作用是在10 kV 及以上的系统中实现 APF 和电力系统的连接。
2.2谐波电流检测
常用的电流检测方法可分为时域和频域两大类。在时域检测方法中 , 应用最广泛的是基于瞬时无功功率理论的 p-q 检测法, I p -I q 电流检测法等。在三相电压对称及无畸变的情况下两种方法均能准确地检测出谐波和无功电流 ,但在三相电压不对称或含有畸变时 , p-q 法的检测结果会有较大的误差, I p -I q 电流检测方法能够准确地检测出基波正序电流,因而采用 I p -I q 电流检测法。
2.3电流补偿控制技术
电流补偿控制技术常用的方法有滞环电流控制和三角波调制控制等, 二者的应用范围大概相同。滞环电流控制是一种非线性闭环电流控制方法。其利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞环, 通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度, 增强了抑制环内扰动的能力 ,控制精度较高, 并且不需要知道负载的参数,还可通过防止逆变器过流而保护功率开关 。但传统滞环控制也有开关频率不固定 , 开关频率随负载变化 ,电流变化剧烈和负载换路时控制效果不明显等缺点。
3有源滤波器工作原理分析
有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）。滤波器也可以有无缘的电抗性元件或晶体构成，称为无源滤波器或晶体滤波器。
电力有源滤波器的主电路一般由 PWM 逆变器构成，根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型 APF( 储能元件为电容 ) 和电流型 APF( 储能元件为电感 )。电压型 APF 在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为 PWM 电压波；而电流型 APF 在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为 PWM 电流波。
4谐波治理方式
电能质量检测与治理方式针对不同的场合可分为集中治理、局部治理和就地治理三种方式。
4.1集中治理
在整个电力配电系统前端设置有源滤波器，采用集中治理的方式抑制谐波，适用于单台设备谐波含量小，但数量大、布局分散的场合，虽然单台设备谐波电流小，谐波含量低，但整个电力系统的总电流大，总谐波电流大。
4.2局部治理
在谐波源前端设置有源滤波器，采用局部治理方式抑制谐波，适用于谐波源集中在某一条或者几条配电线路，如精密仪器，高性能计算机等，虽然单台设备的谐波电流小，但为防止其他非线性设备产生的谐波对其产生危害，采用局部治理。
4.3就地治理
在主要谐波源的前端设置有源滤波器，采用就地治理抑制谐波，适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，如大型综合体的泛光照明、剧场的可控硅调光设备等，单台设备电流大，谐波含量高，为防止谐波电流污染电力系统，影响其他用电设备，采取就地治理。
5有源滤波器容量计算
由于谐波是因非线性设备产生，而用电设备在实际工作中实时状态不同，因此实际谐波电流需采用专用设备进行测量。在项目电力系统设计阶段，设计谐波治理的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流，但是谐波电流的测量和计算比较复杂，且在设计是不可能采集足够的用电设备使用中的实际谐波数据。
6 结束语
采用有源、无源并联混合式有源滤 波装置, 有效滤除变频器产生的高次谐波, 且不会对原有供电系统造成谐波放大的现象。在解决低压变频器引起谐波问题的同时又有效补偿无功功率, 将功率因数提高到甚至以上。对于多变频器引起的电能质量问题,只要将有源滤波器安装在变电站母线出口侧, 即可对变频器产生的谐波及功率因数低的问题进行集中治理, 综合提高电能质量, 保证电网的平稳供电。有源滤波器作为一种解决电力系统电能质量问题最有前景的手段, 日益受到人们关注。用 MAT LAB/SIMULINK 仿真验证了 APF 可对频率和大小都变化的谐波和无功同时进行补偿, 因而证明有源滤波器可用于解决目前电力系统中存在的大功率电力电子器件应用造成的谐波污染问题和负载无功功率需求过大引起的电压波动问题 ,有极广泛的实用价值。
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论文作者:隋兴华,刘丽丽,刘俊娥
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/13
标签：谐波论文; 电流论文; 滤波器论文; 电压论文; 电能论文; 电力系统论文; 设备论文; 《基层建设》2017年第13期论文;