无源滤波技术在中小型水电站谐波治理中的应用

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1、http://www.paper.edu.cn无源滤波技术在中小型水电站谐波治理中的应用赵冬红华北电力大学电气与电子工程学院，北京(102206)E-mail：zdonghong@yahoo.com.cn摘要：本文以中小型水电站附近谐波源的特点为基础分析水电站谐波电流的特点，通过对谐波抑制措施的分析比较，确认无源滤波装置是当前技术条件下较好的滤波方案，并利用Matlab对实际系统进行设计与仿真验证，结果表明无源滤波装置的滤波效果良好，证明此方案确实具有可行性。关键词：水电站，谐波污染，谐波抑制，滤波中图分类号：TN7131.引言为了充分利用丰水季节剩余电能

2、，提高经济效益，目前我国很多中小型水电站都兴建了一些以冶金、化工为主的高耗能企业。这些企业的非线性用电设备在运行中产生大量谐波电流，这些谐波电流流入水电站，不但会引起附加损耗和附加发热，而且能引起继电保护装置[1-3]和自动装置误动或拒动，严重时将损坏发电机。因此，寻求治理谐波污染的有效措施已经成为中、小型水电站的当务之急。2.水电站谐波污染源特点及谐波电流特点2.1水电站主要谐波源特点的仿真分析由于水电站附近的企业主要以冶金、化工为主，而电弧炉是现代炼钢的重要手段，整流装置是化工企业不可或缺的重要设备之一。因此，电弧炉和整流装置是水电站的主要谐波源，下面

3、就这两种谐波源特点进行简单的仿真分析。2.1.1电弧炉电弧炉是利用其三相石墨电极和炉料之间的电弧的热量冶炼钢铁的，石墨电极可以垂直方向运动，以适应熔炼过程中控制电弧长度的需要。在熔炼过程中，特别是在熔化初期，电[4]弧极不稳定，呈现时变电阻特性。电弧炉电阻的数学模型公式为⎛T0T1−T0[]()⎞1/⎜+1−cos2ωt+D+θ⎟R=Ce⎝a2a⎠(1))t(0其中，N(ωLcotφ-r)C≈(2)0⎛T0T1−T0⎞N/1⎜+[]1−cos2(ωTi/N+D+θ⎟∑e⎝a2a⎠i−14T为弧柱最低温度，T为弧柱最高温度，a=.3323×10，D为弧柱受热

4、惯性的影响01值，ω为外加正弦电压激励的角频率，θ为电弧电流滞后电源初相角，L为经过等效去藕-1-http://www.paper.edu.cn化简的一相等效电感，r为短网及电弧炉变压器的一相等效电阻，T为电弧电流周期，在工频为50Hz的情况下，T=0.02s，C是对一个周期内的电阻积分得到的，这里用求和公式近0似求解。利用Matlab对电弧炉的电阻特性进行仿真分析，得到电弧电阻随时间变化的曲线，如图1所示，可以看出电弧炉的电阻特性是随时间而变化的，从而验证了电弧在熔炼期间的不稳定性，导致熔炼电流畸变严重。2.1.2整流装置整流装置是典型的非线性负荷，在供

5、电系统中会引起除基波电流外的谐波次数丰富的谐[5]波电流流动。实践中最常见的是三相整流电路，图2为对三相全控桥整流电路进行仿真得到的交流侧三相电流的波形图，可以看出波形已发生严重的畸变。图1电弧电阻随时间变化的曲线图2三相全控桥整流电路交流侧三相电流2.2水电站谐波电流的特点从以上对电弧炉与整流装置的特性分析并结合其所在的地理位置考虑，可以得出水电站[6]谐波电流具有如下特点：(1)谐波频谱丰富。由于电弧炉在金属冶炼过程中呈现不稳定性、随机性而且三相不平衡，所以导致其电流波形畸变严重，其中含有各种频率的高次谐波、间谐波和次谐波。(2)谐波电流主要注入发电机

6、，而对系统影响不大。因为谐波源与发电机之间的谐波阻抗远小于系统的谐波阻抗，所以根据并联支路的分流原理可知谐波电流主要流入发电机，且谐波电流较大，而电压波形畸变并不严重。2.3水电站谐波抑制措施的分析比较当前谐波治理的方法有很多，总体上可以分为两类：有源滤波和无源滤波。有源滤波主要由高功率大电流的半导体器件及可关断晶闸管构成，这种滤波器是向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零，从而达到滤波的目的。有源滤波装置能动态补偿各次谐波，滤波效果较好，但投资较多。相比之下，无源滤波简单易行，应用比较广泛的是单调谐滤波器和

7、高通滤波器，实际应用中常将二者结合。另外，也可以从装置的设计入手，比如：增加整流装置的脉动数就可以明显减少谐波含量，-2-http://www.paper.edu.cn但是随着整流相数提高，设备的造价也会相应提高很多。此外，也有不少学者采用注入谐波电流法，该法的基本思想是在三相整流电路的交流侧的方波电流中叠加3次谐波电流，从而[7]对方波电流进行整形，既减少谐波含量，降低交流侧电流畸变率，使其更加接近正弦波。但是电流注入的时刻与注入量较难把握。通过以上的分析比较，并从中小型水电站的经济要求实际出发，发现采用无源滤波装置是中小型水电站抑制谐波的最佳选择。将单

8、调谐滤波器与高通滤波器结合起来构成滤波器组便可以较好地吸收水电站附