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摘要阐述了配电系统中日趋严重的谐波污染给配电系统高效运行所带来的各方面的问题， 在此基础上， 介绍了Sinexcel 并联型有源电力滤波器的基本原理。最后结合实例说明并联型有源电力滤波器给配电系统所带来的效率提升。
关键词 配电系统 谐波污染 并联型有源电力 滤波器
1 引言
随着电力电子技术的迅速发展， 越来越多的电力电子装置在配电系统中得到了广泛的应用。这些电力电子设备的效率日趋提高， 并以其灵活可控的特性逐渐成为功率变换和调节的一个不可或缺的重要环节。但与此同时， 由电力电子装置的非线性本质所引发的电能质量问题也日益受到人们的关注。另一方面， 各种对电能质量要求严格的敏感负载应用也在飞速发展， 如计算机、工控设备、精密机床等等。在电力电子装置引发的电能质量问题中， 谐波污染给配电系统带来了多方面的不利影响， 很多场合下严重影响了配电系统的工作效率。无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段， 通常是由电容、电感和电阻等无源元件构成。无源补偿成本较低， 但存在着滤波效果差、容易与电网阻抗发生谐振的缺点。与无源滤波器相比较， 并联型有源电力滤波器以其卓越的补偿性能和潜在的价格优势成为人们关注和研究的热点［1］。并联型有源电力滤波器与负载并联，适用于解决非线性负载所产生的谐波电流问题。
2 谐波电流污染与配电系统效率的关系
谐波电流污染对配电系统效率的影响主要分为以下几个方面：
a . 谐波电流占用容量。容量的占用主要分为变
压器容量占用、输电线缆容量占用和开关容量占用。对于变压器而言， 由于存在集肤效应， 变压器绕组的阻抗随谐波次数的增大而增大， 变压器磁滞损耗与谐波频率成正比， 变压器涡流损耗与谐波频率的平方成正比。这些因素都会导致变压器的额外损耗和温升， 因此当负载电流中存在较大谐波成分时变压器必须降容使用。具体变压器出力降低细则见《施加非正弦负载电流时变压器性能确定的推荐实施规程》（ANSI / IEEE C 57 . 110） ［2］ 。对于输电线缆而言， 同样存在集肤效应， 存在由谐波电流引起的额外温升而导致的降容问题。对于开关而言， 无论是热磁式还是电子式， 当所承载电流中谐波成分较大时， 都必须降容使用。
b . 谐波电流增加损耗。谐波电流引发的额外损
耗主要集中在变压器和输电线缆上， 不再赘述。值得一提的是， 3 和3 的倍数次谐波电流将在系统中性线上叠加， 不仅导致损耗严重， 中性线过热还是严重的火灾隐患。
c . 谐波电流引发谐振。系统发生谐振的必要条
件有两个： 谐振回路和谐振源。电网系统等值阻抗通常表现为感性， 而用于功率因数校正的并联电容器阻抗为容性， 这就构成了一个基本谐振回路， 在某一特定频率处， 并联电容器与系统感抗可能产生谐振。而配电系统中的负载谐波源就扮演了谐振源的角色。从谐波源负载处看， 无功补偿电容器和系统感抗为并联关系， 在某一特定频率处阻抗值很高， 如果负载所产生的某次谐波电流的频率恰好与这个谐振频率接近， 公共连接点处将出现严重的谐波电压放大问题， 产生并联谐振， 进而引发电容器及配套器件损毁， 甚至导致危及系统供电安全的严重事故。
3 并联型有源电力滤波器介绍
并联型有源电力滤波器是用于解决谐波问题的先进电力电子设备。通过外部电流互感器， 实时检测负载电流， 并通过内部DSP （数字信号处理器） 计算，提取出负载电流中的谐波成分， 然后输出PWM （脉宽调制） 信号给内部IGBT （绝缘栅双极晶体管）， 使逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等， 相位相反的谐波电流注入到电网中， 使得流入电网的电流为纯净的正弦波电流， 从而达到滤波的目的。
三相并联型有源电力滤波器最常见的系统结构如图1 所示， 主电路基于电压型PWM 桥式整流电路（由开关管S1P、S 2P、S 3 P、S1 n、S2n、S3 n和滤波电容CDC）， 经滤波电抗器（L1、L2、L3）， 滤除高频开关频率纹波后并接到电网。可以控制有源电力滤波器使得并联支路产生相应的谐波电流， 以补偿负载的谐波电流， 保证电网电流不受谐波污染。
有源电力滤波器工作时需要对谐波电流进行实时检测， 因此高性能、快速、简单的谐波检测方法一直是控制方法研究中的重点内容之一。谐波检测通常计算量较大， 需要使用高速的数字信号处理器（DSP） 和高性能模数转换器（ADC）。现在主流的谐波检测算法主要有快速傅里叶变换法和瞬时无功功率理论法。快速傅里叶变换法利用传统傅里叶变换求取各次谐波含量和相位， 优点是可以分相计算，缺点是有一个工频周期的延时。瞬时无功功率法借助于Hirofumi%Akagi 等提出的瞬时无功功率理论，根据功率相等的原则， 把三相电压、电流变换到两相正交轴系。在正交轴系中区分为实功和虚功两个分量， 实功和虚功的脉动部分对应着谐波功率， 虚功的恒定部分对应着无功。由电流与功率的对应关系可以计算出两相系统的无功和谐波电流， 并以此作为有源电力滤波器的输出电流指令。这种方法的优点是响应速度较快， 缺点是要求三相平衡， 不适用于不平衡或单相的场合。
4 有源电力滤波器应用实例分析
4． 1 系统情况简介
某工厂配电系统示意图如图2 所示。图中的老化测试架一般为分层式结构， 抽屉式安装， 通过负载放电来模拟通信电源产品在不同环境条件下的使用。系统中的回馈负载用于将老化测试架上的通信电源产品输出的能量返送回电网。系统内存在大量变频器等非线性负载， 及通信电源产品等谐波含量丰富的负载，谐波污染严重。
空调用变频器谐波主要分布在6 k ± 1 次， 以5次、7 次为主； 通信电源产品产生的谐波电流主要以奇次谐波为主， 含量最大的是3 次谐波， 谐波电流同时还给配电系统带来了一定程度的不平衡问题。谐波导致变压器、电缆发热严重， 容量占用， 损耗突出。由谐波引发的变压器振动、噪音问题明显。
4． 2 并联型有源电力滤波器应用前后对比
经过综合比较各种滤波方案及各款有源电力滤波器产品， 选择应用Sinexcel 系列有源电力滤波器来解决配电系统中存在的谐波问题。Sinexcel 系列有源电力滤波器同比技术优势明显， 具体如下：
a . 体积小， 50 A 产品体积为88 mm × 440 mm ×680 mm， 仅为主流产品体积的30%。
b . 重量轻， 50 A 产品重量为25 kg， 仅为主流产品的20 %。
c . 功率密度高， 同样容量产品， 体积越小， 功率密度越高。
d . 整机效率> 97 %。
e . 安装灵活， 可采用壁挂安装或机柜安装。
f . 采用DSP + CPLD （复杂可编程逻辑器件） 全数字控制技术， 精确滤波。
g . 可同时滤除2 ～ 50 次谐波。
h . 10 ms 高速全响应时间， 1 ms 快速响应时间。
i . 具有补偿谐波， 同时补偿谐波和无功， 同时补偿谐波、无功和不平衡负载三种模式。
j . 模块化控制， 多机组灵活并联， 维护保养简便。
现场使用Fluke 435 电能质量分析仪测量补偿前后的具体数据。以某变频器为例， 负载为空调风机， 有源电力滤波器补偿前， 负载电流波形如图3
（a） 所示， 波形畸变明显， 其各次谐波频谱分布如图3（b） 所示， 谐波主要以5、7 次为主， 电流总谐波畸变率达到23 . 9 %， 各次谐波详细数据如图3（c） 所示。应用Sinexcel 系列有源电力滤波器进行谐波补偿
后， 流入电网的电流明显得到改善（见图4）。
负载电流波形如图4 （a） 所示， 波形接近正弦波， 其各次谐波频谱分布如图4 （b） 所示， 电流总谐波畸变率由23 . 9 %下降到2 . 9 %， 谐波抑制效果明显， 各次谐波详细数据如图4 （c） 所示。
5 结论
Sinexcel 系列并联型有源电力滤波器的应用给配电系统带来了效率提升， 给企业带来了直接经济效益。分析和实例充分说明， 应用并联型有源电力滤波器是一项整体提升配电系统效率行之有效的举措。