有源滤波器在不同网络中的应用分析

有源滤波器在不同网络中的应用分析

洪晓锦

东莞市开关厂有限公司广东东莞523000

摘要：本文结合有源滤波器的不同领域配电网中的应用经验和实施现状，对有源滤波器抑制和治理电网谐波的原理、特点和价值作必要的分析与阐述，着重对有源滤波器在10kv中高压配电网、0.38kv低压配电网和在110kv高压配电网中的应用实践、性能评估进行详细的探讨与分析，其中结合一定的算法及应用分析，还对对有源滤波器在不同网络中的容量和位置安装优化确定举措作进一步的讨论与阐述，旨在为我国电网的可靠、稳定建设与运营发展提供借鉴与参考。

关键词：有源滤波器；配电网；10kv；0.38kv；110kv；容量选型；安装位置

在电网的现实运营发展过程中，供应电流与所加电压往往会呈现出非线性的使用负荷，电流波因此便会出现基于一个基频正弦加上众多谐波频率正弦的多样周期性波形比结构。谐波电流的产生不仅会由于电压的畸变而导致系统中诸如单相重合闸、消弧线圈接地系统等的失效，引起保护拒动和误动等非正常现象，还会带来电容器、线路、变压器等设备的附加损耗，进而进而降低了设备运行的效率和使用寿命，减弱了整个配电网系统运行的安全性和可靠性。

目前抑制和治理谐波的最好方案就是在电网的合适位置配置适宜容量的有源滤波器，进而达到对大小和频率都变化着的电流谐波以及无功电流（电压）进行补偿，以此有效实现消除谐波对电网及其设备不良影响的目的。

1、有源滤波器的应用原理及应用特点

有源滤波器由指令电流运算电路（电流互感器）和补偿电流发生电路两个主要部分组成[1]。指令电流运算电路实时监测、采样线路中的电流，将所得的电流信号进行谐波分离算法处理，以脉宽调制（PWM）信号的形式与三角波相比，以此得到开关信号，进而驱动IGBT单项桥或IPM功率模块，上下桥臂的开关信号因此反接，生成与电网谐波信号幅值相等、反向相反的补偿电流，进而达到对谐波电流补偿和抵消的作用。完成此步后，有源滤波器会将接入点后的线上电流谐波分量反馈回来，经过调节器的输入，达到实时调整谐波控制与消除的误差的目的。

有源滤波器能够通过精准检测并产生相反相位等量谐波达到抵消系统谐波的目的，因此能够实现滤除谐波的同时，还可以动态补偿无功功率。结合当下对于有源滤波器的使用，其的应用特点和价值主要有：（1）反映动作迅速，效率高，滤除谐波可达到95％以上；（2）容性无功补偿细致、精准；（3）设备灵巧，便于使用和安装；（4）模块化设计，具有更大的功能和性能拓展空间[2]。但在有源滤波器应用过程中，要结合不同配电网谐波消除和无功补偿的需求，利用一定的计算方法，合理确定有源滤波器的结构型制、电流容量和安装位置，从而确保其功能效果在不同电网系统中的有效发挥。

2、有源滤波器在10kv中高压配电网中的应用

有源滤波器在10kv等中高压配电网中的应用最为普遍，具有资金投入小，滤波效果和无功补偿效果高的优点[3]。在某10kV配电网中，测得其谐波电压含有率平均为7.4%左右，而三次谐波电压含有率为4.5%左右，均超过了国标正常值，此时的谐波电流平均70A左右，其中三次谐波电流平均45A左右。

测得谐波问题后，并针对中高压配电网中电网阻抗影响较大特性，决定选取容量为150A的注入式混合型有源电力滤波器（IHAPF）治理装置，通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器。其装置的电路结构如图一所示：

这种有源滤波器装置安装就相当于在进行谐波消除的时候增加了一组串联的谐波阻抗，进而起到了有效抗干扰下对于谐波电流的全面抑制和治理。

安装该混合有源滤波器后，电网的谐波电压含有率平均从7.4%降低到了4.1%左右，其中三次谐波电压含有率从4.5%降低为1.3%左右，谐波电流平均从70A降低到30A，三次谐波电流从45A降低到20A左右。不仅实现了总谐波电压电流及三次谐波电压电流回归到了正常标准范围之内，其他各次谐波电压电流也都达到了有不同程度的降低。

图一：注入式混合型有源滤波器的装置应用

3、有源滤波器在0.38kv低压配电网中的应用

相对于中高压配电网的谐波问题而言，低压负荷具有较大的不确定性。由于电力用户对电气设备随意接入而造成负荷时变性和无规波动性的特点，也就导致了低压配电网谐波电流的广泛性叠性，以及无功功率及其因数大范围波动的不良控制特点。

图二：某低压系统中有源滤波器装置的应用图

结合低压配电网的负荷特点,为了使某0.38KV的配电网更加稳定而安全的运行，防止由于谐波造成用电质量的不良波动，在参考其变压器容量为315KVA，基波电流为400A，电流总谐波的畸变率在16%左右，谐波电流均为60A的现实情况，决定在其系统中安装补偿电流为120A的并联阻性有源滤波器装置，其装置安装的电路体详见图二：

安装该有源滤波器后，该0.38kv配电网的电压总谐波畸变率控制在了3.8%以内，奇次谐波电压含有率不大于3.1%，而偶次谐波电压含有率也均在1.4%的标准范围之内，谐波电流从60A降到了26A，谐波和无功率均降低到了正常的运行水平。

4、有源滤波器在110kv高压配电网中的应用

在110kv及其以上的高压配电网中，其所产生的电流畸变率相较于中低压系统要大的多，而且谐波电流值也更大，用于无功补偿的电容器也经常发生损坏，因此对于110kv等高压进行有源滤波器的谐波治理是必要而且亟需的。为了能够在高压系统中实现对于谐波的集中、经济、有效治理，需要从对滤波器容量的计算以及位置的优化上，结合谐波的发生实际利用科学的算法进行解构与分析，达到对于有源滤波装置高效、高质的装设与功能发挥[4]。

某110kv的配电网电缆分三相接入三台变压器，变压器额定容量均为6300KVA，频率为50HZ通过专业测试设备测得其电流的畸变率在68%，负载电流为350.4A，那么其谐波电流值就可估算为

I=68%×350.4A=238.3A

结合变压器的容量，计算有源滤波器的容量值即可计算为：

Imh=[（6300×80%）/1.732]×68%=1978.75A

最终选择的有源滤波器的规格参数为：

输入电压：400VAC

额定电流：150A

功耗：300w

工作频率:50HZ

容量：2000A

过载电流倍数:1.1

可滤除谐波次数:2~50次

谐波补偿率:＞95%

工作海拔:0~3000m(＞2000m，每上升100m，降额1%)

全响应时间:<10ms

那么其在配电网中的配置方式详见图三：

图三：高压系统有源滤波装置应用图

由图三可知，有源滤波器并联接入电网，其安装位置处于无功补偿会与负载之间，而采样互感器CT位于电源一侧，该种设置不会因机器故障导致电网发生断电事故。而且确保了多台APF有源电力滤波器并联系统，即便有机器由于故障退出运行，剩余的机器仍能正常工作实现滤波功能[5]。该装置除了运用传统的傅里叶算法外，还能够实现电网环境自动学习及相机变换系统阻抗，有效避免系统震荡，使系统达到更加稳定的补偿状态。

5、结语

有源滤波器在使用时绝大多数情况皆在阻抗失配的状态下运行，因此需要结合不同配电网的失配特性，选择足够容量和功率的滤波器，从而达到谐波处理和无功补偿的良好功效。此外，在滤波器使用时必须要结合其特性进行正确的使用，避免产生滤波器对某一频率的不良谐振，不仅无法达到滤波的功效，还会给电网系统的安全运行构成阻碍。

参考文献

[1]黎霞.低压配电网有源电力滤波器谐波检测与控制策略研究[D].河北工业大学.

[2]汤赐.在配电网谐波扩散抑制中并联有源滤波器的检测方式和安装位置研究[J].广东电力,2007,20(2):20-25.

[3]张剑.有源电力滤波装置在配电网谐波治理中的研究和应用[J].电源技术应用,2013(06):281+288.