低压配电室电网谐波分析及改造

　　摘要:随着电力电子技术的发展和广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起了电网电流、电压波形的崎变，高次谐波显著增加，成为电网中的“公害”。结合实际对低压配电室谐波电压、电流及分布进行了实测，提出了采用动态混合有源滤波器进行改造的方案，并给出了具体的计算。

　　随着 电 力 电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，从低压小容量的家用电器到大容量的工业变流装置的广泛应用，引起了电网电流、电压波形的畸变，高次谐波显著增加，成为了电网中的“公害”。这些非线性负载产生高频谐波有3次、5次、7次、9次等更高次，而在这些高次谐波中，对于工业用户，5次、7次，11次、13次成为最大含量的谐波分布。如果供电系统长期处于这种运行状况，将可能导致变压器过热故障，能量损耗增加，功率因素降低;干扰电子设备(UPS、发电机、电容)，造成电能和设备利用率不足，出现过流、过压、过热，绝缘老化现象，最终导致整个电网处于一个不安全的运行状态。

　　1 低压配电室技术数据测量

　　测试 工 具 为FULKE4 3B型电能质量分析仪。测试对象为变压器(S10一1u一1000/10型号，1000kVA,10/0.4 k V,DY nI1)。非线性负载共计6台，功率为550 kW。现场实测技术数据见表1。表1中的数据表明，谐波电流超过国家标准3倍以上。

　　2 电网系统净化改造方案

　　目前 ， 国 内先进的低压电网净化装置是动态混合有源滤波器，它由有源滤波器和无源滤波器及自动控制系统组成。

　　(1 )无 源 滤波器。无源滤波器组成主要由电容器、电抗器、电阻器串联而成。工作原理及特点:滤波器并联在含有谐波的电网上，根据需要补偿无功功率和滤除谐波。该滤波器对基波频率补偿无功功率，对谐波呈现低阻抗，从而滤除各次谐波电流。它采用特殊设计的电容器、电抗器的参数和结构，滤波效果显著，结构紧凑，操作方便，保护齐全。同时解决电流谐波与无功补偿问题。

　　(2 )有 源 滤波器。有源滤波器组成主要由控制器、IGBT组成的逆变器、电容器组成。工作原理:通过实时地检测负荷电流，并将所测量的谐波在高性能的控制器中处理，输出负荷中谐波信号，用于控制PWM(脉宽调制)的IGBT功率模块，并通过线路电抗器注人反相位的谐波电流，精确地把谐波电流互相抵消。

　　(3) 动 态 混合有源滤波器。动态有源滤波器性能优越，但价格高，无源滤波器虽然存在一定缺点，但价格优势明显，两者有机结合，则会在技术、价格、性能指标、工作效率等方面有明显的优势。无源滤波器和有源滤波器容量比例，取决于负载的种类、补偿的目的、负载谐波的特点。一般情况，混合滤波器在采用了无源滤波器后，有源滤波器主要用来补偿无源滤波器没有补偿的其他次谐波电流，其中较大的是3次谐波电流及少量的其它次谐波电流。无源滤波器容量占整个滤波容量的70%一80%，有源滤波器容量占整个滤波容量的20%一30%。动态混合有源滤波器采用并联有源滤波器与无源滤波器串联的混合滤波器系统(见图1)。

　　图 1 动 态 混 合 源滤 波 器 系 统

　　动态 混 合 有源滤波中无源滤波器的多目标优化设计的主要原则如下:

　　(1) 系 统 的L,C参数必须满足不产生串、并联谐振的要求;

　　(2) 系 统 运行后，基波无功容量应满足系统无功补偿的要求;

　　(3 )系 统 运行后，电网的谐波含量应符合国家标准(GB/T14549一93);

　　(4) 考 虑 背景谐波，一般将各次谐波电流加大10% ;

　　(5 )确 定 电网频率的最大正负偏差量，选择合适的调谐锐度(Q值);

　　(6 )各 次 单调谐滤波器的Q值相等。

　　对于 无 源 电力滤波器参数的优化，单凭一项指标难以*价其设计质量的优劣，在实际的工程设计中应考虑多个指标。本改造方案中采用遗传算法对混合电力滤波器的L,C参数进行优化设计，全面的考虑动态混合有源滤波器的谐波滤波、无功补偿、谐振和成本等综合问题。

　　3 动态混合有源滤波器容量计算

　　根据 现 场 测试的无功功率因数及总谐波电流，确定谐波滤波及无功补偿的容量。由于变压器的负载大小在实际负荷波动时总是变化的，三相负载的谐波电流、谐波电压、功率因数也是变化的，测试记录的数据只是一个瞬间数据，是一个典型值。考虑到变压器所带负载中有部分负载在测试时没有投人运行，且负载变化时电流、功率有进一步增加的可能，据此，在数据计算时考虑一定的负荷变化系数，以1.35倍数据进行计算。由于均为三相平衡负载，所以只以A相数据进行计算。即:
　　A相 总 电 流:528A x 1 .35 = 713A
　　A相 基 波 电流:514Ax1.35=694A
　　A相 谐 波 电流:713A x 2 2.8%=163A
　　A相 有 功 电流:694A x O .80 = 555A
　　A相 无 功 电流:/6942一5552

= 4 17A
　　变压 器 供 出的总容量:
　　3x 2 2 9. 5 V x 7 13 A = 490 kVA
　　负载 的 有 功容量:
　　3x 2 29 . 5 V x 55 5 A = 382 kW
　　滤波 器 只 补偿谐波的容量:
　　3x X 2 9 .5 V x 1 63 A = 112k VA
　　滤波 器 只 补偿无功的容量:
　　3 x2 2 9. 5 V x 4 17 A = 287 kVar
　　滤波 器 补 偿总容量:
　　/1 12 2 +2 8 72

= 30 8 k VA

　　　考 虑到 变 压器现在负载还不到额定负载的一半，今后还有负荷扩展的可能。另外，经验的混合滤波器选型应为设计计算结果的1.25一1.35倍，并靠大一档为最佳容量选型方案，故此本设计拟选动态混合滤波器补偿总容量为450 kVA

　　4 效益分析

　　(1) 改 善 电能质量。电网净化装置能全面改善电网质量，能滤除电网谐波，补偿无功，防止电网串并联谐振，防止电压波动和闪变，提高设备运行的可靠性，减少事故率，减少电器设维修费用和维修时间。

　　(2) 降 低 电能损耗。由于补偿了谐波电流和无功电流，使变压器和输电栽路的电流减少，变压器和输电线路的损耗减少，节能约10%.

　　(3) 提 高 配供电能力。进行谐波补偿后，功率因数由0.8提高到0.95，谐波电流由22.8%下降到接近于零，使变压器的实际负荷大大下降，有更大的供电富裕能力。