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1、典型工业电网谐波及其混合有源滤波抑制陈国柱，吕征宇，钱照明（浙江大学电力电子（国家）专业实验室，浙江省杭州市 310027） 摘要：通过对广泛应用的变频器和中频感应加热电源供电系统谐波的测试，给出了畸变率在 42以上电流谐波的定量结论。针对一台 50kVA 变频器谐波源，提出了一种混合有源电力滤波器（HAPF）的谐波治理方案，分析了其原理并进行了仿真和实验。结果表明该方案具有谐波抑制效果好和对电网谐波以及负载变化适应性强等优点。关键词：谐波；测试；混合有源电力滤波器谐波问题已经引起人们广泛重视，许多国家及地区制定了各自的谐波标准。我国也分别于 1984 年及 1993 年通过了电力系统谐波管理
2、暂行规定及电能质量公 用电网谐波（GBT1454993），用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。在我国，虽然目前电力电子装置应用不如发达国家普及，但也有因谐波问题而无法给多台电机安装变频器和无法使用计算机网络的事例。而且，谐波污染也势必越来越严重 13 。本文将试图展示我国工业现场电网谐波状况一斑，并提出一种混合有源滤波器的治理方案。1工业电网谐波测试电机是最典型的耗能设备之一。变频调速器则是典型的非线性设备和谐波源。通过对不同容量、不同运行频率时的测试表明：变频器（组）引起的谐波电流相当严重。电流总谐波畸变率 THDi（相对于基波 I1）为4651570，有的甚至高达 220，远远超过 IE
3、EE519 标准关于配电系统规定 520的限值。当然，注入电网的谐波电流绝对值也将远远超过国家标准值。一个典型的变频器相电流及其频域分析波形如图 1 所示。图 1变频器组相电流及其谐波波形图 2中频感应电源相电流及谐波含量图由图可见：工业现场变频器组使相电流波形恶化，虽然随着输出频率和变频器容量的增加相对谐波有下降趋势，但下降幅度有限。在所有测试样本中，电流畸变率 THDi 均在 465以上，相对于总电流的电流畸变率 THDi R 也在42以上，仍然远远超过标准值。另一类典型非线性负载中频感应加热电源相电流畸变率比变频调速器的稍小，但仍然高出有关标准值许多。主要谐波参数和典型波形为：相对于总电
4、流的电流谐波畸变率 THDi R29、相对于基波电流的电流谐波畸变率THDi F30，其中 5 次谐波含量（相对于基波电流）HRI 521。测试现场电网电压谐波较小，如变频器组电网电压波形见图 3（a）。图3（b）为截止频率 fc15kHz 数字滤波后的电压波形，接近正弦波。说明谐波中以高次谐波为主，其频域电压及频谱分别如图 3（c）和（d）所示。相电压谐波的主要参数如下：谐波电压含量：U H8V电压总畸变率（相对于基波）：THD u35（038kV 系统标准极限值为5 5 ）单次谐波含有率（相对于基波）：HRU h：1（HRU 11最大，其余05） 。电网电压谐波较小，是由于现场运行负载相对
5、供电系统容量较小的缘故。当使用大量变频器之类的非线性负载后，将会导致电网电压的明显畸变。图 3变频器组相电压及谐波波形2综合控制 HAPF 的变频器谐波治理为了解决电力电子等非线性负载所带来的日益严重的谐波问题 13 ，近年来，提出了许多有源电力滤波器（APF）方案，并逐步地得到应用，以克服无源滤波（PF）的许多不足 4，710 。其中，FZPENG 提出的串联混合型滤波器（sHAPF ） 4 ，以其卓越的滤波性能、较小的 APF 容量（典型值为负载的5）及较低的造价而得到广泛关注。然而，由于电网谐波影响、负载变化、保护困难等因素，这种滤波器仅美国有用于实际电力系统的报道 7 。本文针对一台
6、50kVA 变频调速器的谐波，提出一种性能优、成本低、易实现、工作可靠的综合控制的综合有源电力滤波器（HAPF）。它改进了FZPENG 提出的结构和控制方法，其原理如图 4 所示。图中 Ish为电网侧谐波电流；I Fh为 PF 支路谐波电流；V sh为电网谐波电压；V c为 APF 输出电压；Z F为滤波支路阻抗；Z S为电网支路阻抗。一般的谐波抑制系统以抑制非线性负载产生的谐波电流对电网支路的污染和电网的谐波电压对负载的影响为目的，这可表达为（1）、（2）式中I Lh为非线性负载产生的谐波电流；V Lh为负载侧的谐波电压。 Lsh为网侧谐波电流； I Fh为 PF 为支路谐波电流；V sh为
7、电网谐波电压；Vc为 APF 输出电压；Z F为滤波支路阻抗；Z s为电网支路阻抗；图 4一种混合有源滤波器及其谐波等效电路当 VcKI sh（仅谐波电流控制），且 KZ S+ZF时，式（1）可写为从式（3）和（4）可见：在电网电压存在严重畸变时，较大的 Vsh将使HAPF 谐波抑制性能变坏，并增大 PF 容量。这是因为系统谐波是电压源，较小的谐波电压会在 PF 上产生较大谐波电流。采用综合控制，即采用无源滤波器（PF）降低滤波支路阻抗；一个电压控制电压源（VCVS）有源单元，使电网支路对 Vrh呈无限大阻抗（开路），以阻止其对负载侧的传递，受控源输出电压 VC1GV rh（G1）；一个电流控
8、制电压源（CCVS）单元，使电网支路对 Ish的阻抗增大（有限阻抗），减小非线性负载谐波电流对电网的污染，受控源输出电压 VC2KI sh。VCVS 与 CCVS可叠加成一个受控电压源，即 VcV c1V c2K（s）I shGV rh。当KZ S+ZF和 G1 时，有 (5)、（6）比较式（5）（6）与式（3）（4），这种综合控制方案有良好的谐波抑制性能（I sh0）和较小容量的无源滤波器（I F较小）。需要指出的是，虽然当 K1 时，式（3）与式（4）、式（5）与（6）等价。但研究表明：大的 K 值将引起 APF 容量增加及系统的不稳定。此外，针对变频器负载变化范围大、兼顾无功容量与谐波容
9、量、抑制效果与稳定性，对无源滤波器组进行了特殊设计；同时，控制系数 K 根据负载轻重自适应调节，也是笔者对 FZPeng 结构实用化的重要改进。3仿真和模型实验对上述治理方案进行了 PSIM 及 SABER 仿真，主要仿真参数如下：负载：50kVA380V，三相不控整流，电容滤波。电网谐波电压严重畸变（见图 5），相对于基波总畸变率 THDv为 12，其中V5106，V 755。图 5 左一、左二分别为 HAPF 开启前后负载（及无源滤波器）输入电压，右二、右一为其相应频谱。可见 HAPF 开启前电网谐波电压全部传递到负载端（THD v12） ；而开启后相对基波总畸变率 THDv下降为 27，
10、其中 5 次、7 次谐波含量分别为 V517和 V7115。图 6 反映了 HAPF 对非线性负载产生的谐波电流对电网污染的抑制作用，左一、左二分别为 HAPF 开启前后电网侧输入电流，右二、右一为其相应频谱。可见 HAPF 开启前电网谐波电流即为负载电流(Z SZ F),因而含有大量谐波,相对基波总畸变率 THDi85；而开启 HAPF 后，由于有源单元和无源单元的共同作用，其 THDi下降为小于 17。如果不采用复合控制，仅对电流控制（FZPeng 方案），则应增加 PF容量，而且，电流谐波难以得到很好抑制。图 7 结果就说明了这一点，其 THDi 172。同时，模型实验与仿真波形吻合得较
11、好，波形如下：电网电流 Is和负载电压 VL接近于正弦波，谐波指标符合国家标准 GBT 1454993 和 IEEE519，表明这种 HAPF 能够较好地抑制电网的谐波电压对负载端的影响和非线性负载谐波电流对电网的污染。 图 6电网电流 Is在 HAPF 启图 7电网电流 Is波形及频谱图（非复合控制 HAPF，THD v12）(a)启动 HAPE 前(上)后(下)负载电压 VL波形 (b)启动 HAPE 前网侧电流 IS波形(C)启动 HAPE 后网侧电流 IS波形图 8HAPF 的谐波抑制实验波形4结论按照相关标准 5，6 中谐波测试方法、仪器和数据处理的要求，对具有广泛代表性的工业用变频调速器组和中频感应加热电源的谐波进行了测试，得出了电流谐波 THDi在 42以上的定量结论。围绕一 50kVA 负载的谐波抑制装置的研制，提出了一种混合有源电力滤波器（HAPF）的谐波治理方案。仿真和实验结果表明：其谐波抑制性能好、对负载变化范围大和电网严重畸变情形适应性强。
