有源电力滤波器APF在小区配电网中的应用

【摘 要】随着各种电子设备等非线性负载的广泛应用,小区配电网的谐波污染日益严重,电能质量问题越来越突出.本文介绍了小区配电网谐波产生的原因、特点和危害,并简要介绍了有源电力滤波器的工作原理和使用成效.通过有源电力滤波器投入前后小区配电网电压、电流的波形对比,说明利用有源电力滤波器进行小区配电网谐波治理、提高电能质量是切实可行的.

【关 键 词】小区配电网；谐波污染；有源电力滤波器；谐波治理

1.引言

随着经济的发展和居民生活水平的不断提高,各类电子设备及变频电器越来越多地进入人们的家庭,这些电子设备及变频电器在满足人们生活需求的同时,对电能质量的要求也越来越高.同时,由于多数电子设备及变频电器是非线性负载,因此在使用过程中会产生大量谐波并注入电网,降低了电网的功率因数,使电网电压和电流发生畸变,影响了供电质量.

长期以来谐波问题只是在工业领域受到重视,而在小区配电网中很少受到关注.有调查结果表明,小区配电网谐波污染程度已经非常严重,且有逐年加剧的形势.因此,小区配电网的谐波治理势在必行.

2、小区配电网谐波产生的原因、特点及其危害

2.1小区配电网谐波产生的原因

正弦电压作用在非线性负载上产生的电流不是标准正弦电流,而是发生了畸变.根据傅里叶级数理论,可以将负载电流进行傅里叶积分,分解出以基波频率为基础的各次谐波,即电流中除了基波（50Hz）的电流以外,还有2次（100Hz）、3次（150Hz）等各次谐波电流.家庭中使用的电器设备多数都是非线性负载,所以在使用过程中都会产生谐波.

2.2小区配电网谐波的特点

根据国内外对小区配电网谐波测试的结果分析,目前小区配电网谐波具有以下特点：

（1）小区配电网中谐波电流以3次、5次、7次为主；

（2）小区配电网中非线性负荷具有基波功率因数高,含谐波功率因数低的特点,如：个人电脑基波功率因数可达0.9,含谐波功率因数在0.5-0.6；

（3）小区配电网中非线性负荷单个负荷容量小,但同时集中使用的概率大,因此负荷总量大,谐波电流叠加效应使其每日波动较大；

（4）受居民生活规律影响,通常是晚上处于用电高峰,谐波含量最高,白天处于用电低谷,谐波含量最低；

（5）呈季节性波动,通常夏季、冬季负荷高,因而谐波含量高,春季、秋季负荷低,因而谐波含量低；

（6）受地域气候的影响和人们生活水平的影响,具有明显的区域性特点；

（7）谐波污染严重的地区,电能质量低,但是往往对电能质量的要求更高；

（8）小区配电网中,负载配置不平衡导致运行时三相不平衡,零线电流过大,造成供电隐患.

2.3小区配电网谐波的危害

（1）引起零序谐波,并造成三相不平衡,降低供电质量；

（2）使配电变压器产生附加功率损耗、发热量增加,诱发变压器故障；

（3）加速绝缘介质老化,引起配电网短路故障,甚至造成人身伤害；

（4）对断路器、熔断器、继电器等设备产生干扰,造成其误动,降低供电可靠性；

（5）引发无功补偿设备谐振,导致无功补偿设备无法投切,功率因数无法提高；

（6）使电气计量和测量的误差加大；

（7）缩短电器设备的使用寿命；

3.APF用于小区配电网

近年来,有采用无源滤波器对小区配电网进行谐波治理的实践,但效果不佳,原因在于：无源滤波器是基于配电网的基波无功功率设置LC滤波回路的,回路投切的基准是基波无功功率,但由于居民用电设备使用的随机性,导致基波无功功率需求变化较大,滤波回路的投入智能保证基波无功需求,不能控制流入滤波回路的谐波电流,导致流入的谐波电流超过设计要求而造成过载损坏滤波回路,引起小区配电设备故障.

3.1有源电力滤波器APF工作原理

有源电力滤波器APF的基本工作原理如图1所示.APF由两部分组成：谐波和无功电流检测电路及补偿电流发生电路（由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路三个部分构成）.前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功分量；后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流.

谐波无功电流检测电路将负载电流iL中的谐波电流iLh和无功电流iLq分离出来,然后把它们反相并产生出补偿电流iC的调制波信号iC*,也就是指令信号iC*等于iLh+iLq.补偿电流控制电路根据iC*的值输出触发脉冲,通过驱动隔离电路驱动主电路的功率开关,使其创建出补偿电流iC,iC要跟踪iC*,故iC≈-iC*,因此：iS等于iL+iC等于iL-iC*等于iL-（iLh+iLq）等于iLp,即电源电流iS中只含有基波有功分iLp量,从而达到消除谐波和补偿无功功率的目的.根据此原理,对于三相APF,还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿.

3.2有源电力滤波器APF实际应用效果

图2为某小区配电室加装有源电力滤波器前后电压、电流波形对比.在安装APF装置前,电流中3、5、7次谐波含量较大,APF投入使用后,电流中3、5、7次谐波含量几乎全部被滤除,同时,电压波形得到改善,提高了供电质量.

3.3有源电力滤波器APF的优点及使用成效

3.3.1有源电力滤波器APF的优点

（1）可以滤除2-50次谐波；

（2）能够消除三相不平衡；

（3）响应速度快；

（4）可以同时实现滤波和无功补偿；

（5）具备完善的自我保护功能；

（6）损耗低、噪音小.

3.3.2有源电力滤波器APF的使用成效

（1）谐波得到有效消除,提高供电电能质量；

（2）减少谐波对配电变压器的损害,延长其使用寿命；

（3）减少3、5、7次谐波流入上级电网,避免造成谐波污染的进一步危害；

（4）减少谐波造成的停电事故,保障安全、优质、稳定供电；

（5）减少谐波对配电设备的损害,降低维护工作量和维护检修费用；

（6）有效延长居民用电设备的寿命,减少居民的经济损失；

（7）谐波无功功率得到补偿,同时保障基波无功功率补偿,提高供电能力.

4.结论

通过对有源电力滤波器APF工作原理的简单分析,结合APF在实际应用中所取得的效果,我们相信,采用有源电力滤波器APF解决小区配电网谐波污染是行之有效的办法.有源电力滤波器APF在小区配电网中使用,必将改善供电质量,满足居民对供电质量的高标准要求.