抑制典型工业电网谐波及其混合有源滤波

        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《电力系统谐波管理暂行规定》及《电能质量公 用电网谐波》（GB／T－14549－93），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［1～3］。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46．5％～157．0％，有的甚至高达220％，远远超过IEEE－519标准关于配电系统规定5％～20％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46．5％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：相对于总电流的电流谐波畸变率THDi＿R＝29、相对于基波电流的电流谐波畸变率THDi＿F＝30％，其中5次谐波含量（相对于基波电流）HRI5＝21％。
　　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fc＝1．5kHz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：UH＜8V
　　电压总畸变率（相对于基波）：THDu＜3．5％（0．38kV系统标准极限值为5％［5］）
　　单次谐波含有率（相对于基波）：HRUh：＜1％（HRU11最大，其余＜0．5％） 。
　　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。

　　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［1～3］，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［4，7～10］。其中，F．Z．PENG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F．Z．PENG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；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
　　（1）、（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。

　　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①无源滤波器（PF）降低滤波支路阻抗；②一个电压控制电压源（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VC1＝G×Vrh（G＝－1）；③一个电流控制电压源（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VC2＝K×Ish。VCVS与CCVS可叠加成一个受控电　压源，即Vc＝Vc1＋Vc2＝K（s）Ish＋GVrh。当K＞＞｜ZS+ZF｜和G＝－1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（Ish≈0）和较小容量的无源滤波器（｜IF｜较小）。
　　需要指出的是，虽然当K＞＞1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F．Z．Peng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：50kVA／380V，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V5＝10．6％，V7＝5．5％。
　　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（THDv＝12％） ；而开启后相对基波总畸变率THDv下降为2．7％，其中5次、7次谐波含量分别为V5＝1．7％和V7＝1．15％。
　　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（ZS＜＜ZF）,因而含有大量谐波,相对基波总畸变率THDi＝85％；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1．7％。
　　如果不采用复合控制，仅对电流控制（F．Z．Peng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≈17．2％。
　　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GB／T 14549－93和IEEE－519，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，THDv＝12％）