电网谐波功率潮流方向与电力滤波器的应用

电网谐波功率潮流方向与电力滤波器的应用

邹文学,庞

兵

(哈尔滨理工大学,黑龙江哈尔滨150040)

摘

要:分析了电网谐波功率潮流方向对其安装的无源滤波器和有源滤波器的影响,证明了只有根据电网谐波功

率潮流的方向和谐波源类型来确定所使用的滤波器及其工作方式才能达到预期的滤波效果。关键词:谐波功率潮流;有源电力滤波器(APF);无源电力滤波器(PPF);谐波源中图分类号:TM477

文献标识码:A

文章编号:1002-1663(2010)03-0193-03

Analysisofdirectionofharmonicpowerflowandapplicationofpowerfilter

ZOUWenxue,PANGBing

(HarbinUniversityofScience&Technology,Harbin150040,China)

Abstract:Thispaperanalyzeshowdirectionofharmonicpowerflowaffectstheinstalledactivepowerfilterandpassivepowerfilter,andprovesthattheexpectedeffectoffiltercanonlybeguaranteedbyselectingappropriatefilter

anditsworkpatterninaccordancewiththedirectionofharmonicpowerflowandthetypeofharmonicsource.Keywords:harmonicpowerflow;activepowerfilter(APF);passivepowerfilter(PPF);harmonicsource

系,并提出了针对谐波源类型和谐波的产生原因及谐波的功率方向来确定电力滤波器的工作方式,同时考虑了电网电压存在谐波源时应用并联有源滤波器的情况。目的是更合理的运用滤波器来保证谐波电流既不注入电网,又能保证某类非线性负载能得到所需的谐波有功功率。

0引言

随着接入电网的各种非线性负荷的种类和数量的增多,电网上谐波的种类及分布也越来越复杂,对电网的谐波污染也更加严重,由谐波引发的电网输配电系统的故障也时有发生。一方面,谐波污染电能质量,同时,还因用户注入电网的谐波不被计量而损失应收的电费。随着关于谐波功率潮流方向的讨论,谁该为产生谐波负责的问题也逐渐明朗。但由于目前的谐波标准仅规定了在公共耦合点Pcc上的谐波标准,而没有规定其功率潮流的方向,即谁是谐波产生源。所以目前的电力滤波器大都存在着运行方式需改变和安装位置需从新确定的问题,参考文献[2,6,8,9]论证了谐波电流和谐波电压的产生机理,参考文献[1,3,10]定义了谐波功率潮流的分类和测试原理,这为进一步分析主要类型的谐波源且根据谐波功率潮流的方向来确定电力滤波器的工作方式以及在滤除负载注入电网谐波电流的同时又阻止电网谐波电压形成更大的谐波源提供了理论依据。

文中分析了谐波功率方向与APF和PPF的关

收稿日期:2010-03-05

1谐波功率潮流方向的测定及分类

电网上的非线性负载种类复杂,一般都可以将其等效为不规则的谐波电压源或谐波电流源,而系统实际测量的点只有一个公共耦合点PCC。而在PCC点上只能测到电流In电压Un和两者之间的相位角。目前测定谐波功率方向的方法有许多种,但广泛使用并被接受的仍然是功率方向法。该方法定义基波的功率方向为正方向,其它各次谐波功率方向以基波功率方向为基准:从电网流向负载的谐波功率表示为

Pn=UnIncosPn=UnIncos

n

0<0

(1)(2)

而从负载流向电网的谐波功率表示为

n

如此可以画出其诺顿等效原理图1。

作者简介:邹文学(1953-),男,1977年毕业于哈尔滨电工学院电子系,高级工程师,从事有源滤波与无功补偿技术研究。

193

Vo.l32No.3HeilongjiangElectricPowerJune.2010

根据文献[11,12,14]定义集合Fn={全体谐波阶次}根据谐波功率方向定义两个子集:

a.由电网流向负载的谐波功率其谐波阶次属于FA子集。

图1

谐波源等效原理图

b.由负载流向电网的谐波功率的谐波阶次属于FB子集。且有:

FA!FB=;FAFB=Fn

(3)PA=

n=

n

#PUnIncos

n

FA

n

#

FA

(4)

(1

cos

n0)PB=

#

Pn=

#

UnIncos

n

n

FA

n

FA

(5)

(-1%cos

n

<0)

&

I=

&

I&

&

&

nn+

In=IA+IB(6)n

#Fn

n

#

FA

n

#

FB

#

Un=

Un-

Un=UA-UB

(7)

n

Fn

n

#

FA

n

#

FB

对于电网上的谐波,除了要确定其功率方向以确定其谐波源外还应对其谐波源进行分类。电网中的所有谐波源都可以等效为不规则的谐波电流源或谐波电压源,但从用户向电网方向看,电网的谐波源多数为谐波电压源,其谐波电压产生的方式主要有两种:

a.电网上的谐波电压由并联在网上的其它非线性负载产生,如图2所示。

图2

PCC点上由其它负载产生的谐波电压

b.电网上的谐波电压完全是由于本地负载的谐波电流在电源内阻上产生的压降产生,当负载谐波电流被滤除后自然消失。如图3所示。

194

图3有本地负载的谐波电流在电源阻抗ZS上产生的谐波电压Ush

2

谐波功率方向对电力滤波器的影响

2.1

无源滤波器的应用

目前在电力系统中应用最多的仍然是无源滤

波器。虽然其成本低廉结构简单,但其本身的缺点

也十分突出,特别是对谐波的放大作用极易引起系统谐振。设某系统中电网与负载之间并联有无源滤波器组,其对所有网上的谐波电压Un,其滤波器阻抗ZPF=0。此时如电网侧为纯正弦电压,则网上仅有P&

n<0的谐波电流IB被滤掉。此为无源滤波器最适合的工作条件,如图4所示。

图4并入无源滤波器的等效原理图

(电源为纯正弦)

则有电源谐波电流&

Isn为

&I&&ZS&ZPF&ZL1sn=IBZ&

S&ZPF+ZS&ZL+ZL&ZPFZS

(8)

当Z&

PF0,则Isn=0。

如果电源侧存在有谐波电压源时,Pn<0的谐波电流I&

B被滤掉的同时P

0的谐波电流I&

A依然

存在而且比较之未接入滤波器前的谐波电流增大,见图5。

未接入PF时:I&

h

A=

UsZ9)

S+Z(L

接入PF时:

&

IZL+ZPF

A=Ush&

Z(10)

S&ZL+ZPF&ZS+ZL&ZPF

当Z&Ush

PF0时,IA=Z。

S

如果该类负载还需要电网提供谐波功率支撑

第32卷第3期黑龙江电力2010年6月

而对于非线性负载向电网注入的谐波电流,令

此时电网就无法提供。

图5

无源滤波器对全部谐波电压阻抗ZPF=0的等效原理

2.2有源滤波器的应用

由于系统中普遍存在着谐波功率的双向流动,

且谐波源的类型各不相同和部分非线性负载还需要谐波功率的支撑。成本低廉的PPF无法对这种复杂的工况进行处理,而有源滤波器以其灵活的控制策略可对该类系统进行有效处理。设一系统电源侧存在谐波电压Ush,负载为一非线性负载,该负载向电网注入谐波电流&

IB的同时也吸收来自电网的谐波功率PA以支撑负载的功率输出其等效原理图6。

图6

电源有谐振电压Ush,同时负载还有双向谐波源I&

&

A,IB的等效原理图

系统未接入APF时

&

IUsh

A=

Z(11)S+ZLU&ZS&ZL

n=IA&

Z(12)

S+ZL

当系统接入APF后,控制APF输出电流&

IAPFA=

&

I&

A,并满足公式(12)则ZS支路中没有电流IA流过,

而负载所需的&

IA由APF提供。电路等效图7。

图7APF补偿谐波电流&

IA原理图

U=I&

ZS&ZL

nAPFA&

ZS+Z(13)

L

APF同时输出&I&

APFB=-IB与系统中的对消。由于&

I&

APFA与IAPFB分属于两个不同谐波阶次的集合,所以APF可以同时输出:

&

I&&

APF=IAPFA+(-IAPFB)

(14)

需要注意的是由于APF向电网注入电流&

IAPFA

与电网谐波电压U&

sh提供的电流IA的频率,相位相同。因为ZS

ZL,控制(12)式将十分困难且极易造

成&

IAPFA注入电网,所以在应用并联APF时可在负载

入口处串联电感L,使得(12)为:

U&

(ZS+L)&ZL

n=IA&

(Z15)

S+L)+Z(L

见图8。

图8负载入口处串联电感L原理图

3

结束语

电网上的谐波污染是被普遍关注的问题,但直到谐波功率方向的发现才使人们有可能找到谐波源并确定谁应该对这一段电网上的谐波污染负责。由于谐波的功率具有方向性且谐波源的性质不同,

所以采取的滤波方式也要根据实际工况灵活应对。该文仅提出了一种利用APF,对电网侧有谐波源且非线性负载既向电网注入谐波电流,又同时吸收电网提供的谐波功率的工况进行处理的方案,目的旨在讨论。

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(下转第218页)

195

Vo.l32No.3

识并采取相应必要的措施。3.1设备维护工作量加大

HeilongjiangElectricPowerJune.2010

理位置偏远,加上低压裸线,抄表问题虽然解决,但线损管理形势依然严峻。3.5富余人员安置问题凸显

电能管理平台运行之后,节省了大量抄表及核算人员,这部分富余人员年龄偏大,业务能力单一,人员分流安置比较困难。

电能管理平台建设增加了运行所需的设备数量,包括集中器、采集器、负控终端、计量箱和电表等硬件设备,特别是部分台区抄表成功率较低时,大多采取增加集中器等方式。鹤网电业局地处山区,客户集中度较低,线路较长,因此集中器数量随之增加。电能采集系统和负控系统采用的技术既有载波也有无线,该技术对环境因素比较敏感,而系统对数据可靠性和实时性要求又很高,这势必将增加内线维护工作量压力和运行风险。3.2人员素质亟待提高

电能管理平台运行后,营销人员素质将面临新的挑战。电能管理平台不仅仅是先进的信息技术和管理软件在电力营销中的应用,更是涉及到业务重组、组织再造、理念更新等诸多变革。电能管理平台运行之后,新增很多数据分析功能,营销部门需要既懂计算机技术又懂管理的复合型人才,高层人员要不断提高分析处理信息的能力,中层人员要不断加强使用计算机的能力。3.3服务时效性要求更高

电能管理平台运行之后,以前月抄表改为日抄表。抄表例日缩短、核算时间相对集中,线损按日管理要求采集装置必须保持较高的完好率,设备抢修时限要求更短。因此,营销部门对计量装置故障消除时限、计量装置维护人员数量、车辆配备等都将提出更高要求。

3.4线损管理任重而道远

部分国网直供农村,负荷分散、负荷密度小、地

4结论

纵观全文分析,可从中得出如下结论:

a.由于电能管理平台的设计理念是电力民生理念,故该平台的数据采集必然要深度延伸,低压用户自然成为服务中心,精益营销必将成为电力企业管理的主要方向。

b.电能管理平台运行之后,抄表职责被现代信息技术所代替,从而简化营销业务管理流程,这是营销管理效率提升的根本原因。

c不同电力企业所遵循的组织重构原则不尽相同,因此所构建的组织机构也各有千秋。但是,电能管理平台一旦运行,有一点是共同的,那就是不能人为违背该平台所形成的新的业务流程。

d.电能管理平台建设及其引发的设备改造投资巨大,从长远看,投资回收主要将依靠线损的降低和抄表员工资节约两大渠道来实现。

e.电能管理平台运行之后,电力企业面临的棘手问题是富余人员的安置和人员素质的提高。企业如果不能妥善安置富余人员再就业,没有依据人员素质公平地调整职能岗位,则将直接影响社会稳定。

(编辑

张兴业)

(上接第195页)

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(责任编辑徐秋菊)

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