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1、抑制典型工业电网谐波及其混合有源滤波hesp导语：谐波问题已经引起人们广泛重视，很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（电力系统谐波管理暂行规定）及谐波问题已经引起人们广泛重视，很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，固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
2、一斑，并提出一种混合有源滤波器的治理方案。b1工业电网谐波测试/b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IEEE519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。img=569,135zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/59-1.jpg/img图1变频器组相电
3、流及其谐波波形img=183,286zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-1.jpg/img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，固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THDiR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很多。主要谐波参数和典型波形为：相对于总电流的电流谐波畸变率THDiR29、相对于基波电流
4、的电流谐波畸变率THDiF30，其中5次谐波含量相对于基波电流HRI521。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3a。图3b为截止频率fc15kHz数字滤波后的电压波形，接近正弦波。讲明谐波中以高次谐波为主，其频域电压及频谱分别如图3c和d所示。相电压谐波的主要参数如下：谐波电压含量：UH8V电压总畸变率相对于基波：THDu35038kV系统标准极限值为55单次谐波含有率相对于基波：HRUh：1HRU11最大，其余05。电网电压谐波较小，是由于现场运行负载相对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。img=548,125zszl.
5、cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-2.jpg/img图3变频器组相电压及谐波波形b2综合控制HAPF的变频器谐波治理/b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，提出了很多有源电力滤波器APF方案，并逐步地得到应用，以克制无源滤波PF的很多缺乏4，710。其中，FZPENG提出的串联混合型滤波器sHAPF4，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50kVA变频调速器的
6、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。它改良了FZPENG提出的构造和控制方法，其原理如图4所示。图中Ish为电网侧谐波电流；IFh为PF支路谐波电流；Vsh为电网谐波电压；Vc为APF输出电压；ZF为滤波支路阻抗；ZS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img=255,73zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-3.jpg/img1、2式中ILh为非线性负载产生的谐波电流；VLh为负载侧的谐波电压
7、。align=leftimg=501,135zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-1.jpg/imgLsh为网侧谐波电流；IFh为PF为支路谐波电流；Vsh为电网谐波电压；Vc为APF输出电压；ZF为滤波支路阻抗；Zs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VcKIsh仅谐波电流控制，且KZS+ZF时，式1可写为/alignimg=276,126zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-2.jpg/img从式3和4可见：在电网电压存在严重畸变时，较大的Vsh将
8、使HAPF谐波抑制性能变坏，并增大PF容量。这是由于系统谐波是电压源，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VC1GVrhG1；一个电流控制电压源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VC2KIsh。VCVS与CCVS可叠加成一个受控电压源，即VcVc1Vc2KsIshGVrh。当KZS+ZF和G1时，有img=205,84zszl.cepee/cepee_kjlw_
9、pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-3.jpg/img5、6比拟式56与式34，这种综合控制方案有良好的谐波抑制性能Ish0和较小容量的无源滤波器IF较小。需要指出的是，固然当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构造实用化的重要改良。b3仿真和模型实验/b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，
10、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，V755。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THDv12；而开启后相对基波总畸变率THDv下降为27，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ZSZF,因此含有大量谐波,相对基波总畸变率THDi85；而开启HAPF后，由于有
11、源单元和无源单元的共同作用，其THDi下降为小于17。假如不采用复合控制，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结果就讲明了这一点，其THDi172。同时，模型实验与仿真波形吻合得较好，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GBT1454993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。img=511,239zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-1.jpg/img图6电网电流Is在HAPF启
12、img=308,120zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-2.jpg/img图7电网电流Is波形及频谱图非复合控制HAPF，THDv12align=leftimg=488,95zszl.cepee/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-3.jpg/imga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b4结论/b根据相关标准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。/align0