赵婧初
（江苏省徐州市撷秀中学，江苏徐州，221000）
0 引言
随着“十三五”电网规划的提出，电网建设向智能化绿色电网迅速发展，大量可再生分布式电源如太阳能光伏发电、风力发电等以及先进储能设备在电网的渗透率逐渐提高，电力电子变流器广泛应用到直流输电系统与灵活交流输电系统中，使得现代电网智能化水平不断提高[1]，但与此同时也带来一些不可忽视的弊端。电力电子设备等非线性负荷在电力系统的不断渗透，导致严重的谐波污染，严重威胁电网的安全稳定运行。因此，为了保障电网电能质量，顺利推进绿色电网的建设步伐，电网对谐波抑制技术提出更高要求。传统谐波抑制技术主要为无源电力滤波器（Passive Power Filter，PPF）和有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），这两种装置均具有各自的优点和缺点[2]。本文在此基础上设计一种并联混合型滤波装置，采用谐波分频控制方法对混合装置有源和无源部分的滤波功能进行分配，使其能协调运行，结合有源与无源装置优点。最后，在电力系统仿真软件PSCAD中搭建仿真模型对所提装置进行仿真验证。
1 谐波对电网安全节能运行的影响分析
谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量。电弧炉、变频器、LED灯等非线性负载的使用是产生谐波的主要原因。谐波的存在对绿色电网的安全节能运行影响极为恶劣，主要体现在以下几个方面：
（1）增加系统损耗。谐波电流流经用电器、线路以及变压器等电气设备时，会产生较多的附加损耗，大大增加了电力公司的运行成本和用户的电费支出。
（2）降低系统可靠性。谐波电流会导致变压器、电动机等设备局部过热，绝缘老化加快，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性。严重时，还有可能导致电气火灾和用电中断等严重后果。
（3）影响通讯。由于电磁感应原理，当信号线路与电网线路相距较近时，可能会形成电场和磁场耦合，谐波含量过大时可能会对通信线路产生声频干扰，导致信号正常传输受到影响。
2 传统谐波抑制技术
2.1 无源滤波技术
无源滤波技术主要是指由电容、电感和电阻元件适当组合而形成的无源电力滤波器。无源滤波器的基本原理是对谐振频率进行调节，使之与待滤除谐波的频率相同，这样通过分流作用将该频率的谐波电流进行滤除。无源滤波器通常与谐波源并联，能对特定频次谐波滤除并且兼具无功补偿作用，具有结构简单、成本低、运行可靠等优点。
然而，由于无源滤波器具有固定的滤波频率，所以只能对某一特定频次的谐波进行滤除，滤波效果较为单一。此外，无源滤波器受系统运行情况影响明显，对电网频率和阻抗的变化敏感，可能会与电网阻抗产生谐振而导致谐波放大，造成一系列不良影响。
2.2 有源滤波技术
有源滤波技术是指能动态抑制谐波的有源电力滤波器，它在一定程度上弥补了传统无源滤波技术的不足，能动态滤除大小和频率均变化的谐波电流，是一种非常理想的滤波装置。最基本的并联型APF的工作原理图如图1所示。APF并联在电网和谐波源之间，主要由指令运算电路与补偿电流发生电路两个模块构成，其中，补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分。在治理负载产生的谐波电流时，首先检测负载电流iL的谐波分量，将检测到的负载谐波电流iLh取反，作为APF补偿电流的指令值，这样电源电流is中便只有基波分量ifL，谐波电流得以滤除[3]。
这个过程用可用下式表示：
图1 并联型APF的工作原理图
APF可以在小容量谐波的场合产生良好的滤波效果，但是当谐波容量较大时，对APF容量就会有较高要求，增加了装置的成本和操作难度，经济性较差。
3 采用谐波分频控制的混合滤波器设计
针对有源电力滤波器和无源电力滤波器的固有优缺点，本文提出一种APF与PPF联合运行的混合滤波装置，该装置能实现技术效果好，成本低的谐波抑制功能。
3.1 拓扑结构设计
电网中通常为了保障电能质量，通过在谐波源或者配电变压器低压侧装设无源装置进行无功和特定频次谐波补偿，因此，为了合理利用现有设备，避免资源浪费，本文所提混合滤波装置可以通过在原有无源装置侧并联有源装置，通过适当控制策略来实现。
如图2所示为APF与PPF并联运行的混合滤波器的电路拓扑图。其中，混合滤波器并联在谐波负载和电网之间，整个系统的主要频次谐波电流由无源部分滤除，未能滤除的其他频次谐波电流由有源部分滤除。该拓扑中，APF的补偿电流所需较少，容量得以降低，减少了成本投入。
图2 混合电力滤波器的电路拓扑结构
图3 仿真系统图
3.2 谐波分频控制方法设计
新型滤波装置的控制系统核心在于谐波的分配，由于APF在同频率谐波下的等效阻抗小于PPF，因此APF采用传统控制方法并联到PPF旁，正常工作时由于低阻抗分流作用会导致PPF不能正常工作。因此需要将谐波电流进行分配，在APF的控制环节中将PPF所滤除谐波分量在APF指令电流中剔除。具体控制方法为：首先，检测负载电流，提取电流基波分量。其次，用负载电流减去电流基波分量得负载电流谐波分量。最后，在所得谐波电流分量中，将无源部分滤除频次谐波分量（iLp）剔除，作为有源部分补偿电流的指令值。控制方法采用公式可以表示如下，其中is，iL，，ip分别表示电网侧，负载侧以及APF和PPF的电流。
4 仿真验证
本文在PSCAD电磁暂态仿真软件中搭建如图3所示的仿真模型对所提控制方法进行仿真验证，主电路由电源、谐波源、滤波装置组成，其中谐波源为三相不可控整流电路，滤波装置为APF和PPF并联运行的混合滤波器，PPF设计为5次滤波器。
根据所提控制方法，APF补偿电流的指令值可通过检测负载电流再剔除基波和5次谐波分量得到，仿真中分别测量了补偿前、仅无源设备补偿、混合设备补偿三种情况下的电网电流波形图和各电流分量幅值图，具体的仿真结果与分析如图4所示。
图4 电网电流波形和谐波含量图
（1）补偿前
图4（a）所示为补偿前电网侧电流波形图和各次分量幅值图，从图中可以看出电网电流波形畸变严重，经测量模块测得此时5次谐波电流分量约为80A，电网侧总电流谐波畸变率为17.43%。
（2）仅无源设备投入
图4（b）所示为PPF投入后电网电流波形图和分量幅值图，从图中可看出电流波形有所改善，经测量得此时5次谐波电流分量约为16A，总电流谐波畸变率为7.56%。从仿真结果可以看出虽然PPF投入具有一定的滤波效果，但仍不满足低压配电网总电流谐波畸变低于5%的国家标准。
（3）混合滤波器投入
如图4（c）所示为APF和PPF并联运行的混合滤波器投入后的电网电流波形图和幅值分量图。从图中可以看出，电流波形相对于图4（a）来说有较为明显的改善，基本上各次谐波都被滤除干净，经测得此时总电流谐波畸变率为3.53%，满足低压配电网电流谐波畸变率低于5%的国家标准。此外，混合装置中有源部分和无源部分协调运行良好，PPF的正常工作没有受到APF工作的影响，所以本文所提谐波分频控制方法的正确性与适用性得到了验证。
5 结论
本文分析了谐波对电网安全节能运行的影响，总结了无源电力滤波器和有源电力滤波器的工作原理和运行优缺点，针对传统滤波技术的缺点，提出并设计一种采用谐波分频控制方法的并联混合滤波器，并基于PSCAD仿真软件进行仿真验证，可得结论如下：
（1）本文所提的并联混合电力滤波器谐波抑制效果良好，满足国家标准对配电网谐波电流畸变率低于5%的要求，可靠性高；
（2）通过采用谐波分频控制方法对混合滤波器进行控制，有效解决了有源部分和无源部分协调运行时的谐波分配问题，降低了有源部分容量，提高了经济效益。
