三相四线制配电网的零序谐波治理方案

罗曦/高级工程师关键词/Keywords电能质量·曲折电抗器·零序滤波器·电能质量|PowerQuality30·电力电气·2011年第30卷第7期三相四线制配电网的零序谐波治理方案为了消除非线性负载在三相四线制配电系统中引起的零序电流问题，提出了一种基于曲折接线的相间耦合电抗器的零序谐波电流治理方案。对某配电网工程项目的实验表明，曲折接线的相间耦合电抗器能有效滤除零序电流。它虽然继承了传统LC调谐滤波器的谐波滤除原理，但它不含电容，不存在谐振与谐波放大问题。并且具有结构简单，滤波效果受系统参数的影响小等优点，能显著改善三相四线制配电网的电能质量，降低配电变压器及线路的电能损耗，提高对负荷的供电可靠性。罗曦/昆明供电局邱凌刘兴元/武汉水院电气有限责任公司随着城市的快速发展，种类繁多的家用电器进入普通家庭，如变频空调、洗衣机、各种节能照明灯具及不间断电源等，还有数量庞大的个人计算机等办公设备。它们都会在电网中产生大量的谐波电流，即使它们的单台功率较小，但由于数量庞大，其所造成的谐波污染也逐渐受到人们的关注。在谐波电流中，零序性质的谐波电流占有相当重的分量，特别是与基波频率较接近的3次谐波电流，它对配电系统造成的危害不容忽视［1-4］。目前，谐波治理有无源和有源两种方式。无源方案是通过电容电感构成谐振回路来滤除谐波分量，由于其投资少、结构简单等特点在工程中得到广泛应用。但电容器容易出现老化失谐和过负荷爆炸等问题，并且它的滤波效果受系统参数的影响较大。随着电力电子技术的发展，有源滤波器不断得到开发应用。有源滤波器是通过可控的电力电子半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相同、相位相反的电流，从而使电源侧谐波电流接近于0，达到实时补偿谐波电流的目的。有源滤波方案具有很强的自适应能力，可实时补偿谐波和无功，不受系统参数的影响。尽管如此，但由于其电路拓扑和控制系统复杂，且成本高，可靠性相对较低等问题使得它的广泛应用受到限制［4-6］。针对三相四线制配电系统的零序谐波较严重的现状，本文提出了一种基于磁通补偿原理而开发的零序滤波电抗器，它继承了LC调谐滤波器的谐波滤除原理，但具有无电容拓扑，不存在失谐和谐波放大的问题，并且它具有投资少、效率高、结构简单、过载能力强、运行可靠和免于维护等优点，在低压配电网滤波中具有较大的应用价值［7-9］。零序滤波电抗器原理零序滤波电抗器的原理如图1所示，滤波电抗器共有三个铁心柱，每个铁心柱上并绕有两个匝数相同，绕向相反的绕组，三相间绕组以轮换的方式实现曲折连接，最终实现了三相间的相互耦合。图1零序滤波电抗器原理图由零序滤波电抗器的原理图可以看出，当A、B、C三相线中有大小相等、方向相同的零序电流流过时，三相之间就三相四线制配电网的零序谐波治理方案PowerQuality|电能质量月上·电力电气·31能够实现磁通的相互抵消。因此，零序电流对滤波电抗器铁心产生不了励磁作用，故零序滤波电抗器可以为大小相等、方向相同的零序电流提供低阻通道。并且，从理论上来讲，如果不计绕组间漏抗和电压比误差的影响，零序滤波电抗器的零序阻抗就等于三相绕组的并联交流电阻［10］。设每个绕组的交流电阻为R，则零序滤波电抗器的零序阻抗可由下式表示ZR0=2R/3将零序滤波电抗器并联到系统后，由不平衡和非线性负载产生的零序电流就能沿电抗器就近形成回路，避免了零序电流成分通过系统形成回路，从而达到平衡三相负载和滤除零序谐波的目的。零序滤波电抗器的应用分析图2为零序滤波器在三相四线制配电系统中的安装示意图。图中ZZn为滤波器阻抗;ZLn为滤波器与负载间的中线阻抗;ZSn为滤波器与电源间的中线阻抗;ZS为系统阻抗。图2零序滤波器安装示意图图3所示是与图2所示的滤波器安装示意图所对应的滤波原理图，图中电流源iS0代表零序谐波电源，它包括了三相负荷不平衡带来的零序基波分量和由非线性负荷引起的零序谐波电流分量。图3滤波分析原理图根据图3的滤波分析原理图知，在加装阻零器后，系统电源侧的零序电流分量表达式如下iSn=ZZnZS+ZSn+ZZniS0(1)由于零序滤波电抗器的零序阻抗接近于零，即有ZZn≈0，因此根据式(1)的计算结果知，只要零序滤波器的零序阻抗设计得尽量小，那么通过它的分流作用，系统零序不平衡基波电流和零序谐波电流都可得到很大程度的滤除［11］。滤波效果仿真分析用EMTDC/PSCAD软件对接入低压系统的3个单相二极管全波整流电路进行仿真。每相的负载都为并联的电阻、电容，单相整流电路会产生如3次、5次及7次等一系列丰富且含量大的奇次谐波，能代表大多数不良负荷的情形。仿真参数为:系统线电压为380V，50Hz;系统阻抗ZSn的电阻和电感分别为0.01Ω，0.2mH;线路阻抗ZS的电阻和电感分别为0.05Ω，0.1mH;滤波器阻抗ZZn的电阻和电感分别为0.02Ω，0.02mH;每相负荷电阻R为100Ω;每相负荷并联电容C为1000μF。图4、图5给出加装滤波电抗器前后的中性线电流波形。电能质量|PowerQuality32·电力电气·2011年第30卷第7期图5加装滤波器后中性线电流波形从图4、图5可以清楚地看到，加装滤波电抗器后中性线上谐波电流峰值从40A减少到4A，并且还可以看出每相中的3次谐波电流都大为减少，电流总的谐波畸变率从216.3%降到了168.5%;说明此时零序电流大都通过滤波器回流至负载，减小了中性线电流，但由于零序阻抗ZZn与系统零序阻抗ZS的比值还不是很小，零序电流没有完全经滤波器滤除，相电流频谱中还存在基波不平衡电流和3次谐波电流。挂网试验结果在对滤波电抗器的滤波原理进行详细分析和仿真实验的仿真结果的基础上，结合某科技项目还进行了挂网试验研究。试验地点的配电变压器型号为SZ7—800/10，低压侧输出电压为0.4kV，其阻抗电压Uk=4.63%，三相绕组联结组标号为Yyn0。低压母线共有四回馈线和一组低压电容补偿。在安装零序滤波电抗器后，用Topas2000电能质量分析仪精确测量了投入滤波电抗器前后变压器中性线中零序电流的情况，并进行了对比分析，结果如图6和图7所示，从试验结果不难看出，零序滤波器投入后，三相不平衡基波电流和零序三次谐波电流都得到了明显降低。结束语为了消除三相不平衡和非线性负载在配电系统中性线上引起的零序电流，提出了一种利用相间耦合电抗器滤波的配电网零序电流治理方案。这种滤波器不含电容，体积小，不会产生谐振和谐波放大问题，受系统参数变化影响小，是一种适合在三相四线制配电网中进行大力推广的滤波方案。(下转第45页)智能电网及数字化变电站关键技术探讨PowerSystem|电力系统月上·电力电气·45分，其主要功能是同步采集多路输出的数字信号后按照标准规定的格式发给保护、测控设备。南瑞航天公司目前研制生产的全光纤电流电压互感器，已经试运行一年多，性能良好，这将推动数字化变电站向前更进一步。(3)智能断路器技术智能断路器技术是指应用微电子技术、计算机技术和新型传感器建立的具有智能化操作功能的断路器。能自动调整断路器的运动特性，实现重合闸的智能操作以及分合闸相角控制，实现断路器选相合闸和同步分断，同时实现对断路器的在线监测。目前对于断路器操作技术的智能化尚处于研究、试验阶段，实际工程应用的许多技术问题还有待于解决。(4)计算机网络技术计算机网络技术和光纤通信技术是支撑数字化变电站的关键技术之一。随着以太网技术不断成熟，嵌入式以太网在工业控制领域的广泛应用，使变电站网络有条件采用低廉、成熟的以太网。结束语智能电网是经济和技术发展的必然结果.不是可选择或可不选择的。其预期效益也相当可观。本文深入分析了智能电网的特点，以及数字化变电站的关键技术，数字化变电站研究和应用领域取得的成果，使在变电站一次设备、变电站通信网络等方面具备了一定建设智能电网的条件，对智能电网的发展将起到重大推动作用。当然也存在很多难题有待研究和解决。参考文献［1］余贻鑫，栾文鹏．智能电网［J］．电网与清洁能源，2009，25(1):7-11．［2］陈树勇，宋书芳，李兰欣，等．智能电网技术综述［J］．电网技术，2009，33(8):1-7．［3］林宇峰，钟金，吴复立．智能电网技术体系探讨［J］．电网技术，2009，33(12):8-13．［4］PaulHaase．IntelliGrid:asmartnetworkofpower［J］．EPRIJournal，2005．［5］廖斌，仇宏祥．标准化的智能电网提升电网安全［J］．上海电力，2006(6):584-587．［6］余贻鑫．面向21世纪的智能配电网［J］．南方电网技术研究，2006，2(6):14-16．［7］谢开，刘永奇，朱治中，等．面向未来的智能电网［J］．中国电力，2008，41(6):19-22．［8］吴在军，胡敏强．基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究［J］．电网技术，2003，27(10)．［9］滕林，刘万顺，李贵存，等．光学电流传感器及其在继电保护中的应用［J］．电网技术，2002，26(1):31-33．(收稿日期:20101012)櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅EA(上接第32页)参考文献［1］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京:机械工业出版社，1998:1-60．［2］夏道止，沈赞埙．高压直流输电系统的谐波分析与滤波［M］．北京:水利电力出版社，1994:108-189．［3］肖湘宁．电能质量分析与控制［M］．北京:中国电力出版社，2004:164-197．［4］中国电力工业部．GB/T14549—1993电能质量公用电网谐波［S］．北京:中国国家标准出版社，1994．［5］陈国柱，吕征宇，钱照明．有源电力滤波器的一般原理及应用［J］．中国电机工程学报，2000，20(9):17-21．［6］钱照明，叶忠明，董伯藩．谐波抑制技术［J］．电力系统自动化，1997，21(10):48-53．［7］王莉娜，付青，罗安．工厂供电系统谐波谐振的抑制．电力系统自动化，2001，25(20):41-44．［8］孙建军，查晓明，丁凯．一种低耐压中性线谐波治理电路原理及实现［J］．电力系统自动化，2003，27(18):34-37．［9］邓占锋，朱东起，姜新建．三相四线制下中线谐波电流治理的新方法［J］．电力系统自动化，2002，26(8):15-19．［10］李国栋，冯力鸿．曲折接线变压器抑制零序三次谐波电流方法研究［J］．现代电力，2006，23(6):40-44．［11］吴坚．消除电网三次谐波［J］．低压电器，2003，2(3):50-53．(收稿日期:20101028)EA