典型工业电网谐波及其混合有源滤波抑制

     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THD_i（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THD_i＿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f_c＝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：U_H＜8V
　　电压总畸变率（相对于基波）：THD_u＜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）：HRU_h：＜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