钱叶牛1，史江凌2，强 晟3，汪剑波2，孙 健1
(1.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京100075；2.国网北京市电力公司通州供电公司，北京101100；3.国网吉林省电力有限公司信息通信公司，吉林 长春130021)
摘 要： 首先介绍了单调谐和二阶高通滤波器的基本结构和工作原理，然后以某用户等离子体点火器为研究对象进行谐波测试分析，并且详细介绍了滤波器设计过程，最后利用PSCAD搭建仿真环境验证滤波器滤波效果。仿真结果表明，所设计的滤波器有效抑制了用户配电系统中谐波电流，使用户注入公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）的谐波电流满足国家标准要求，同时还提高了功率因数，优化了用电环境。
关键词：电能质量；谐波电流；滤波器；仿真分析
0 引言
随着电力工业和电力电子技术的飞速发展和逐步成熟，现代大中型企业非线性负载比重日益增加，容量不断扩大，特别是晶闸管整流、变频调速等装置在工业生产中愈来愈广泛地应用以后，向电网注入了大量谐波电流，使供电电压波形畸变，电网电能质量下降，同时也给连接于同一电网系统的其他用电设备带来了不利影响和危害。
为了保障广大用电客户和电网企业的权益，1993年国家技术监督局正式颁发了国家标准《电能质量 公用电网谐波》(GB/T 14549-1993)，该标准规定了公用电网谐波电压限值和用户注入公用电网谐波电流限值，为用户制定谐波治理方案或措施提供了依据[1]。
有效解决谐波源设备的谐波污染问题有两个基本方法：一是装设谐波补偿设备来补偿谐波；二是对谐波源设备本身进行改造，使其不产生谐波。由于第一种方法对各种谐波源都适用，且可对含有多种谐波源的系统进行集中治理，因而在实际工程中得到广泛应用。
谐波补偿设备就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施，其按照所采用的元器件，可分为无源滤波器和有源滤波器。由于无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因而被广泛使用。有源滤波器是新一代谐波补偿设备，具有良好的补偿特性，能同时满足补偿谐波和无功功率的要求，但因价格较高、维护复杂等因素，在我国应用还不广泛。
无源滤波器主要由电容、电感、电阻元件串并联组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式是提供谐波电流旁路通道。无源滤波器根据在电网中的连接形式可以分为并联、串连和混联三种，其中并联滤波器是应用最为广泛的一种；根据结构的不同，又可以分为单调谐滤波器、双调谐滤波器及高通滤波器等几种。在实际应用中单调谐滤波器和二阶高通滤波器使用较为广泛[2-4]。
1 单调谐滤波器的设计
1.1 工作原理
单调谐滤波器电路原理如图1所示，由电容器、电抗器、电阻器串联组成。h次单调谐滤波器阻抗为：
其中，Rh、L、C分别为滤波器的电阻、电抗和电容；w1为系统工频角频率；h为谐振谐波次数。
在调谐状态下，Zh=Rh。由于Rh很小，h次谐波电流主要由Rh分流，很少流入电网中，从而起到滤除h次谐波电流的目的，同时使对应的谐波电压大幅度降低。而对于其他次谐波，滤波器呈现较大的阻抗，分流很小。
1.2 参数确定
由于三相滤波器各相相同，所以只研究一相的参数。假设滤波器基波无功补偿量为Q1，则：
其中U1为交流母线电压基波分量。由于装有滤波回路的各次谐波电流都被滤掉，母线电压中不含有这些次数的谐波，而其他次数的谐波分量一般很小，可以忽略，即可认为母线电压只含基波分量。
由式(2)可以确定电容器C值为：
单调谐滤波器的品质因数较大，一般为30～60。q值越大，Rh越小，滤波器损耗也就越小，但是滤波器对失谐的灵敏度越高。因此，需要结合系统的特点选择合适的q值[5-7]。
2 二阶高通滤波器的设计
2.1 工作原理
二阶高通滤波器电路原理如图2所示，其阻抗为：
取Rh=1 Ω，C=2 590 ?滋F，则|Zh|随hw1变化曲线如图3所示，该曲线在某一很宽的频带范围内呈现为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。高通滤波器的阻抗受系统频率变化的影响很小，也不灵敏，但损耗较单调谐滤波器大。
2.2 参数确定
工程应用时，为了简化计算，通常采用单调谐滤波器C、L确定方法确定电容和电感值，即式(3)和式(4)。但品质因数除外，为相应单调谐滤波器q的倒数，一般取0.7～1.4。
3 滤波器各支路无功补偿容量的分配
通常滤波器由多个滤波支路构成，如何将无功功率合理分配至各滤波支路是非常重要的问题，也是保证滤波器总体滤波效果的关键之一。设滤波器总无功补偿容量为QC1，可由式(8)确定。
式中：P1为负载基波平均有功功率，cos?渍1为补偿前负载基波平均功率因素测量值或设计值，cos?渍2为补偿后基波平均功率因素设计值。
为了使各个滤波器支路电容器承受谐波电压基本一致，在工程应用中可按式(9)确定各支路无功补偿容量：
Q为第hi次滤波支路分配的基波补偿容量，I/hi为第hi次滤波支路需滤除的谐波电流与谐波次数比值，(I/hj)为所有滤波支路需滤除的谐波电流与谐波次数的比值和。
4 等离子体点火器谐波治理仿真实例分析
某用户供配电系统如图4所示。该系统有2个电压等级(10 kV、0.38 kV)，由10 kV母线1供电；有一台2 000 kVA两绕组变压器，阻抗百分比为6.25%，阻抗比X/R=10.67；500 kVA等离子体点火器为谐波源负载，实测功率因数为0.65，它产生的谐波电流通过变压器注入PCC处；1 200 kVA等效负荷由80%电动机负荷和20%静态负荷构成，功率因数为0.85；电缆长度为27 m，阻抗为0.018 4+j0.018 2 Ω/km。采用PSCAD仿真软件建立电气元件模型，进行滤波方案的设计，并且观察滤波效果。
4.1 谐波测试
依据GB/T 14549-1993，对该用户进行了谐波测试，测试时间为24 h，测试仪器为美国电力士电能质量分析仪（仪器编号 PVUSIA157、PVUSIA158），测试点（谐波监测点1和谐波监测点2）位置如图4所示，谐波测试数据如表1、表2所示，电压、电流波形及频谱如图5～图10所示。由于5、7、11、13、17等次谐波的存在，电压、电流波形发生了严重的畸变。
4.2 谐波电流限制指标
PCC处最小短路容量为143MVA，供电容量为31.5MVA，用电容量2MVA。根据GB/T 14549-1993计算该用户在PCC处的谐波电流限制指标（10 kV），如表3所示。
4.3 谐波电压限制指标
根据GB/T 14549-1993，电力系统正常运行条件下，用户接入10 kV PCC处母线的电压总谐波畸变率THDU不大于4.0%，其中奇次谐波含有率HRUh不大于3.2%，偶次谐波含有率不大于1.6%。
由上述数据可知，在用户PCC处：5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次及25次谐波电流的发射量均超过国标限值；母线电压总谐波畸变率超过国标限值。因此，需要对等离子体点火器产生的谐波电流进行滤波处理。针对该设备的谐波电流发射量，在母线3处并入5、7、11、13次单调谐滤波支路各1个以及17次二阶高通滤波支路1个。
4.4 滤波支路参数计算及仿真分析
4.4.1 滤波支路参数计算
设定负载功率因数从0.65补偿至0.99，负载有功功率为0.312 MW，则按式（8）计算滤波器QC1=320 kvar。根据上述各次谐波电流发生量的大小，按式（9）计算5、7、11、13、17次滤波支路补偿容量，如表4所示。
根据上述无源滤波器设计方法计算可得，各滤波支路的参数如表5所示。
4.4.2 仿真分析
在PSCAD中建立系统仿真模型，单调谐滤波器和高通滤波器用R、L、C元件组合而成，并将其并到母线3处，靠近谐波源负载，以取得较好的滤波效果。运行仿真，滤波以后的谐波电压、电流数据如表6和表7所示，波形如图11～图16所示。监测点1处和监测点2处母线电压总谐波畸变率分别为1.83%和4.12%，均在国标限值范围内。对比滤波前后的电压、电流波形和频谱，可以看出，波形得到了较大的改善，5次、7次、11次、13次谐波滤除效果明显，谐波电流残留较少，其他次谐波得到了一定的抑制，滤波器达到了预期的滤波效果，同时滤波器发出320kvar容性无功，使负载功率因数补偿至0.984。
5 结论
电能质量关系到电网可持续发展，是实现节约型社会的必要条件之一。谐波作为电能质量的一项重要指标，直接反映了电网受污染的程度。无源滤波器具有结构简单、技术成熟、造价低廉等优点，是目前广泛应用的谐波治理技术。
本文在充分了解单调谐滤波器和二阶高通滤波器的基本结构和工作原理的基础上，针对某用户的等离子体点火器运行时向电网注入谐波电流，导致电网电压、电流波形发生畸变的问题，使用电能质量分析仪对现场谐波源负载处和PCC处进行了谐波发射量实测，并设计了滤波器抑制谐波源负载产生的谐波电流注入电网，再利用PSCAD搭建仿真环境验证滤波器滤波效果。仿真结果表明，所设计的滤波器有效抑制了5、7、11、13次谐波，其他次谐波也得到一定的限制，注入PCC处的谐波电流满足国家标准要求，并且在滤波的同时还向电网注入容性无功，改善了功率因数，避免了供电公司的考核和罚款。
参考文献
[1] 国家技术监督局.GB/T 14549-1993.电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
[2] 吴竟昌，孙树勤，宋文南，等.电力系统谐波[M].北京：水利电力出版社，1998.
[3] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.
[4] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[5] 张宁，宋福根.单调谐滤波器设计及其在谐波治理中的研究[J].电气技术，2008(7)：27-29.
[6] 邵宗岐.中频电炉的谐波治理[J].电气技术，2009(11)：58-63.
[7] 閤先华.电力系统中无源滤波器的仿真和分析[J].船电技术，2006(6)：29-31.