諧波抑制的工程設(shè)計方法探討??

1前言

隨著大功率半導(dǎo)體電力變流器、變頻器等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，愈來愈多的諧波電流被注入了電網(wǎng)，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后，且諧波的消極影響越來越嚴重，因此，如何有效地抑制諧波是電力設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。

2諧波的危害

（1）增加了無功功率消耗和銅損

在電流波形畸變的情況下，電力系統(tǒng)的視在功率應(yīng)為：

S2=P2＋Q2＋T2(1)

式中：S為視在功率；

P為有功功率；

Q為無功功率；

T為畸變功率。

由于諧波電壓和電流的頻率不同，其相角差隨頻率差作周期性變化，累計的功率之和為零，所以畸變功率具有無功功率性質(zhì)。

諧波電流將使電力系統(tǒng)中的元件如電動機產(chǎn)生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動機總損耗增加，溫升增加及效率降低。電動機將多吸收無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)下降。

（2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上，使電容器的總運行電流增大，溫升提高，很容易發(fā)生過負荷以至損壞，導(dǎo)致使用壽命縮短。同時，諧波對電容器參數(shù)匹配產(chǎn)生影響，有可能在電網(wǎng)中造成高次諧波諧振，使故障加劇。

（3）由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差造成觸發(fā)角偏移

及電流、電壓變化率過高，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置、自動控制裝置的控制失靈和誤動作，進而造成系統(tǒng)故障。

（4）持續(xù)的諧波含量過高，將加速變壓器、電動

機、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下，特別在瞬態(tài)過程中，還可能引起諧振過電壓。

（5）諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應(yīng)耦

合，會在通訊線路中感應(yīng)出相當(dāng)大的諧波電壓，從而對通訊線路造成干擾，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

3諧波的抑制措施

根據(jù)GB/T14549?93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求，必須對各種非線性負荷注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。

在電力系統(tǒng)的設(shè)計中，加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級；增加變流裝置的脈動數(shù)；改善系統(tǒng)的運行方式，如：盡可能保持三相負荷平衡，避免各類電磁系統(tǒng)飽和，錯開系統(tǒng)諧振點，由專門電路為諧波源負載供電等，都能減小系統(tǒng)中的諧波成份。但其中許多措施都會大大增加系統(tǒng)和設(shè)備的投資，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，設(shè)置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施，同時濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無功。

圖1高次諧波等效電路

(a)接線系統(tǒng)(b)等效電路

圖2單調(diào)諧濾波器

(a)結(jié)構(gòu)(b)y=f(δ)特性

圖3高通濾波器

(a)結(jié)構(gòu)(b)阻抗頻率特性

整流器、逆變器等非線性負荷，因為其本身可以表示為產(chǎn)生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來表示高次諧波的等效電路。

流向電網(wǎng)的諧波電流IS和母線的諧波電壓VB可表示為：

IS=InZL/(ZS＋ZL）

VB=ISZS(2)

式中：IS為注入電網(wǎng)的諧波電流；

In為諧波電流；

VB為諧波電壓；

ZS為電網(wǎng)阻抗；

ZL為電網(wǎng)負載阻抗。

該式表明，當(dāng)電網(wǎng)阻抗(ZS)一定時，相對減小系統(tǒng)負載阻抗(ZL)，就可以減小流向電網(wǎng)的諧波電流和母線的諧波電壓（電壓畸變）。諧波干擾取決于流向電網(wǎng)的諧波電流或電壓畸變的大小。抑制諧波的目的，就是要降低流向電網(wǎng)的諧波電流。

因此，可以采取以下兩種措施：

（1）對于電力系統(tǒng)，設(shè)置諧波低阻抗的分流電路，從而減小負載阻抗ZL，降低注入電網(wǎng)的諧波電流IS；

（2）提供逆相位的諧波，以抵消非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流In，達到消除諧波的目的。

前者稱為被動式濾波器，即常用的LC濾波器；后者稱為能動式濾波器，即有源濾波器。

4LC濾波器的設(shè)計

LC濾波器是利用L?C諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網(wǎng)。根據(jù)其電容器與電抗器的聯(lián)接方式不同，主要常用的有單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。它們的結(jié)構(gòu)和阻抗特性如圖2、圖3所示。

單調(diào)諧濾波器的諧振次數(shù)和品質(zhì)因數(shù)分別為：Qn=XLn/Rfn(3)

諧波阻抗為：

Zfn=Rfn＋j(nXL1－XC1/n)≈Rfn(1＋j2δQn)(4)

上二式中：XC1為電容器組的基波容抗；

XL1為電抗器的基波感抗；

XLn為電抗器在n次諧波時的感抗；

Rfn為濾波器在n次諧波時的電阻；

δ為電網(wǎng)角頻率相對偏差。

由于系統(tǒng)頻率的波動、濾波電容器及電抗器有關(guān)參數(shù)制造時的偏差、電抗器的調(diào)節(jié)偏差，以及環(huán)境溫度和負荷的變化，濾波器的實際諧振頻率可能與其設(shè)計值不完全相同，即在偏離設(shè)計值的一定范圍內(nèi)變化。一般情況下，單調(diào)諧濾波器在Qn=1/2δ時有最好的濾波效果，即注入電網(wǎng)的諧波電流最小。

圖4LC濾波器的典型構(gòu)成

由圖2(b)可知，單調(diào)諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關(guān)系。Qn越大，曲線越尖銳，但越容易失諧，濾波效果下降越快；Qn過小時，濾波效果在較大范圍內(nèi)變化不大，但效果較低，此時損耗也較大。所以，Qn和δ的確定要經(jīng)過多種方案比較，并兼顧各個指標后選取。

對于高通濾波器，由于其電抗器L與電阻R并聯(lián)，有一個較低的阻抗頻率范圍。當(dāng)頻率低于某一截止頻率f0（fO=1/2πRC）時，由于容抗增加使濾波器阻抗明顯增加，低次諧波電流難于通過；當(dāng)頻率高于f0時，由于容抗不大，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。

與單調(diào)諧濾波器相反，其品質(zhì)因數(shù)Qn=Rfn/XLn。這是因為在高通濾波器中，電阻R與電抗器L并聯(lián)，電阻越大，調(diào)諧越尖銳；而在單調(diào)諧濾波器中，電阻R與電抗器L串聯(lián)，電阻越小，調(diào)諧越尖銳。但無論是單調(diào)諧濾波器還是高通濾波器，品質(zhì)因數(shù)是標志調(diào)諧銳度的指標。對于高通濾波器，Qn值一般取1～5。由圖3(b)可以看出，即使在調(diào)諧頻率附近，頻率偏差也影響不大。

高通濾波器截止頻率應(yīng)選擇靠近要濾的主要諧波，否則其損耗將大大增加。

對于某次諧波，要達到同樣的濾波效果，采用單調(diào)諧濾波器將大大減小容量，但高通濾波器有綜合濾波功能，它可以同時濾除若干次高次諧波，減少濾波電路數(shù)。因此，在濾波方案選擇時，對于主要的諧波，宜用單調(diào)諧濾波器；而對若干較高次諧波，且諧波電流值不大，宜選用一組高通濾波器。當(dāng)結(jié)合所需無功補償容量考慮時，許多情況下，用幾組單調(diào)諧濾波器加一組高通濾波器是比較經(jīng)濟可行的方案。

如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構(gòu)成。

由式(2)可知，LC濾波器的濾波效果取決于電源阻抗和濾波器內(nèi)部阻抗的相互關(guān)系，由于濾波器并聯(lián)在電路中，其本身就是阻抗因素，容易受電源已有高次諧波畸變的影響。因此，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮以下幾方面因素：

(1)電源的阻抗條件。根據(jù)系統(tǒng)接線，變壓器參數(shù)或擬裝設(shè)濾波器處母線電壓及短路容量，計算系統(tǒng)的諧波阻抗；電網(wǎng)頻率波動范圍和濾波電容器及電抗器的調(diào)節(jié)偏差等因素構(gòu)成的等值頻率偏差；

(2)在工頻范圍內(nèi)，濾波器和電容器有著相同的功能，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的超前相位容量，從而有效減小濾波器容量，降低濾波器造價；電網(wǎng)已有高次諧波電壓對濾波器可能造成的過載影響；變流器負載所產(chǎn)生的高次諧波量，確定濾波器的定額；

(3)高次諧波抑制指標。根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，確定各次諧波電壓畸變率和注入相應(yīng)電壓等級電網(wǎng)的諧波電流允許值。

LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單，吸收諧波效果明顯。但由于其結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著難以克服的缺陷：

(1)僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果，當(dāng)

諧波成份變化時補償效果差；

(2)補償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大；

(3)在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間

可能會發(fā)生并聯(lián)諧振，使該頻率的諧波電流被放大；或者發(fā)生串聯(lián)諧振，使電網(wǎng)側(cè)可能存在的諧波電壓向LC濾波器注入較大的諧波電流；

(4)當(dāng)接在電網(wǎng)中的其他諧波源未采取濾波措施時，其諧波電流可能流入該濾波器，造成過載。

而有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的跟蹤補償，基本上克服了LC濾波器的上述缺點。

5有源濾波器的應(yīng)用

隨著功率電子器件和PWM技術(shù)的發(fā)展，基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，使有源濾波器得到迅速發(fā)展。

前述可知，LC濾波器實際上是由濾波電容器和電抗器組成的、對某些或某次諧波呈低阻抗諧振支路，濾除這些諧波。而有源濾波器與LC濾波器的最大區(qū)別在于它是一種向系統(tǒng)注入補償諧波電流，以抵消非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率器件的高可控性和快速響應(yīng)能力。

圖5有源濾波器工作原理

有源濾波器的工作原理如圖5所示。

負載電流IL按傅里葉級數(shù)可展開為：

IL=ΣInsin(nωt＋θn)

=I1cosθ1sinωt＋I1sinθ1cosωt＋ΣInsin(nωt＋θn)

=I1p＋I1q＋In(5)

式中：I1p為負載基波有功電流；

I1q為負載基波無功電流；

In為高次諧波電流。

將濾波器并聯(lián)連接在諧波發(fā)生源和電源之間，Is=IL＋IF?？刂朴性礊V波器的輸出電流IF=－In，電源側(cè)電流則為只含基波分量的正弦波形。即：有源濾波器產(chǎn)生一個與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流注入負載電流IL流經(jīng)的線路中，將負載諧波抵消，使之不流入電網(wǎng)。由式(5)可知，有源濾波器還可同時補償無功，即使IF=－I1q－In，IS=－I1p，從而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)由諧波電流檢測、控制電路、PWM逆變器、直流電源及注入變壓器等部分組成。根據(jù)逆變器儲能元件不同，可將有源濾波器分為電流型和電壓型兩種。電流型有源濾波器儲能元件為電感，由于其運行損耗較大，對儲能電感的充電控制較復(fù)雜，因而使其應(yīng)用受到限制；電壓型有源濾波器儲能元件為電容，具有損耗小，易于控制等優(yōu)點而得到普遍應(yīng)用。電壓型有源濾波器工作過程是由電容器構(gòu)成儲能直流電源，逆變器根據(jù)檢測信號產(chǎn)生PWM輸出電壓，將儲存在電容器中直流電能轉(zhuǎn)變成所需頻率和波形的補償電流，經(jīng)隔離變壓器注入線路中。PWM逆變器同時兼有向電抗器或電容器提供直流電能的功能。這個過程直接受諧波電流補償量檢測及控制電路的控制。

有源濾波器具有以下特點：

(1)該裝置是一個諧波電流源，它的接入對系統(tǒng)

阻抗不會產(chǎn)生影響；

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，該裝置不存在產(chǎn)生諧

振的危險，不影響補償性能；

(3)不存在過載問題。當(dāng)系統(tǒng)諧波電流增大超

過裝置的補償能力時，濾波器仍可發(fā)揮最大補償作用；

(4)對系統(tǒng)中各次諧波均能有效抑制；

(5)一臺裝置即可實現(xiàn)對多次諧波和基波無功電

流的實時動態(tài)跟蹤補償。

但是，與LC濾波器相比，有源濾波器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，運行損耗較大，設(shè)備造價高。由于有源濾波器本身是以開關(guān)方式工作，在補償諧波的同時，也會注入新的諧波，但其開關(guān)頻率很高（達3kHz以上），諧波頻率高，幅值低。

有源濾波器可用于抑制負載為周期性變化的高次諧波和LC濾波器不能抑制的部分高次諧波。表1為有源濾波器的兩種接線方式比較。

直接接入方式是有源濾波器與系統(tǒng)的基本連接方式。此時PWM逆變器相當(dāng)于一個受控電流源，其產(chǎn)生與負載諧波大小相等、相位相反的諧波電流，使電源側(cè)電流被補償成正弦。該方式下，電源基波電壓全部加在逆變器上，因而裝置容量較大。該接線方式的濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的功能，能在補償諧波的同時動態(tài)補償系統(tǒng)無功。

注入電路方式的有源濾波器將電抗器和電容器作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使有源濾波器不承受基波電壓，從而減小了逆變器的裝置容量，減小體積，降低成本。通過選擇注入電路常數(shù)，使逆變器的裝置容量僅為直接接入方式的1/4～1/5，因此適于構(gòu)成高壓電路的大型濾波裝置。

有源濾波器也可與LC濾波器并聯(lián)或串聯(lián)組成混合結(jié)構(gòu)進行組合運用。當(dāng)并聯(lián)使用時，LC濾波器用來分擔(dān)補償相同次數(shù)的諧波，補充有源濾波器的補償作用，降低所需逆變器的容量。而采用串聯(lián)方式運用時，有源濾波器則主要不是用來直接補償諧波，而是用來抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大現(xiàn)象，以改善LC濾波器的補償效果。此時，逆變器不承受基波電壓，裝置容量小。

圖6有源濾波器原理電路圖

圖6為明電舍株式會社生產(chǎn)的有源濾波器原理電路圖。該裝置可以有效濾除2～19次諧波，諧波抑制率達85％以上，動態(tài)響應(yīng)時間小于1ms。

6結(jié)語

（1）在治理系統(tǒng)諧波時，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中各種因素的影響，兼顧各個指標，選擇合理有效的濾波方案；

（2）采用LC濾波器，應(yīng)以濾波器組的綜合濾波效果為原則，嚴格避免諧波放大現(xiàn)象的發(fā)生；

（3）濾波電容器電容量的選擇既要滿足濾波的要求，也要考慮無功補償?shù)男枰?，還應(yīng)使電容器能承受過電流和過電壓的影響；

（4）有源濾波器是一種新型動態(tài)濾波器，其諧波抑制能力大大優(yōu)于LC濾波器。隨著對電網(wǎng)諧波問題的日益重視和其成本的逐步降低，將具有廣闊的應(yīng)用前景。