电力谐波抑制与无源电力滤波技术

 一 引  言

    随着工业技术的发展，不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷（又称为畸变负荷）接入电网，电网谐波水平逐年升高。电力谐波导致的各种问题日益突出，已受到供用电双方的高度重视。对电力谐波进行治理刻不容缓。

    用串联电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振与放大，用无源电力滤波器抑制电力谐波等技术措施具有技术成熟、简单有效、价格较低等优点，已得到日益广泛的应用，是治理电力谐波的有效措施。

    二 电力谐波的产生与危害

    电力谐波主要由非线性负荷产生。非线性负荷吸收的电流与端电压不成线性关系，结果电流发生波形畸变且导致端电压波形畸变。这种周期性的畸变波形可按基频(50Hz)展开成傅里叶级数形式，其大于基频的分量即为谐波。图1为一实测畸变电流波形，图2为畸变波形的谐波分析示意图。

    产生电力谐波的设备非常广泛，主要有变频调速器、直流调速系统、整流设备、中高频感应加热设备、晶闸管温控加热设备、焊接设备、电弧炉、电力机车、不间断电源、计算机、通讯设备、音像设备、充电器、变频空调、晶闸管调光设备、电子节能灯等。

    谐波的危害主要包括以下几个方面：
    （1）增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率；
    （2）引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；
    （3）产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；
    （4）由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；
    （5）增加绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命；
    （6）零序谐波电流导致三相四线系统的中线过载，并在三角接法的变压器绕组内产生环流；
    （7）引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；
    （8）改变电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量；
    （9）使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差；
    （10）干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。

    三 电力谐波管制标准

    为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准。如关于公用电网谐波限制的IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993，关于用电设备谐波电流排放限制的IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z 17625.1-2003、GB/Z 17625.6-2003等等。
虽然各谐波标准都不尽相同，但都是大同小异，且所有标准的都是基于以下三个目的：
    （1）将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平；
    （2）以符合用户需要的电压波形向用户供电；
    （3）不干扰其它系统（如通讯系统）的正常工作。

    GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》是现行电力谐波监督管理的国家标准。除要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外，要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国标允许值。否则应采取治理措施。

    四 治理电力谐波的方法

    谐波治理措施主要有三种：一是主动治理，即从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其不产生或少产生谐波；二是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；三是被动治理，即通过安装电力滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流人负载端。

    由于谐波源的广泛性和复杂性，主动治理方法受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响，只能解决部分问题，受端治理方法和被动治理方法仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。例如通过串联失谐电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振放大，通过在系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器进行滤波等等。

    1.谐波共振抑制与串联电抗器的应用
    1.1 无功补偿电容器引起的谐波共振与放大

    当系统中含有谐波时，无功补偿电容器会与系统阻抗发生并联谐振，导致谐波放大。图3为补偿电容器引起5次谐波共振的实例。

    图4为补偿电容器与电网阻抗并联谐振的谐波等效电路。其中C为补偿电容器容量， L_s和r_s分别为电网等效电抗和等效电阻， I_lf和I_lh分别为负载的基波电流和谐波电流强度，I_sf和I_sh分别为网侧的基波电流和谐波电流强度，U_s为电网谐波电压。

    定义网侧谐波电流I_sh与负载谐波电流I_lh之比I_sh/I_lh为谐波放大因子，则I_sh/I_lh与谐波频率的关系如图5所示，共振频率f₀由（1）式确定：

    作为典型参考值，假定配电变压器短路阻抗为6%，补偿容量为变压器额定容量的50%（或30%），若忽略高压线路的短路阻抗，则谐振频率f₀约为288Hz（或372Hz)。计入高压线路短路阻抗后f₀还会略低一些。因此，如果负载电流中含有5次、7次等谐波分量，则会被显著放大。

    1.2串联电抗器的作用

    解决补偿电容器引起谐波放大问题的有效方法是在电容器支路中串联适当电抗器。 如图6所示。

    串联电抗器L后，系统并联谐振频率f₀向低频方向移动，由（2）式确定。同时L与C构成一串联谐振支路，谐振频率f₁由（3）式确定。

    定义电抗率为串联电抗器的基波感抗与电容器基波容抗的比，令电抗率由0逐次增大1%，可得到一组谐波放大因子I_sh/I_lh随谐波频率的变化曲线，如图7所示。

    随着电抗率的增加，并联谐振频率f0向低频方向移动。当频率高于串联谐振频率f₁时， I_sh/I_lh总是小于1的，即频率高于的谐波f₁的谐波不会被放大。因此只要针对系统中的最低次谐波频率，选择适当的电抗率，使谐振频率f₀和f₁低于主要谐波频率，即可避免谐波放大问题。

    在f₁附近，I_sh/I_lh取得极小值，说明该频率附近的谐波得到较大抑制，这是由于L与C串联谐振，对谐振频率的谐波呈现极小阻抗，将谐波分流的结果。

    1.3 串联电抗器的分类

    在实际应用中，串联电抗器可分为三类：
    第一类称作抗涌流电抗器，主要用途是限制电容器投入系统时的涌流，其电抗率一般小于1%。这类电抗器对抑制谐波放大一般没有正面作用。
    第二类称作失谐电抗器或消谐电抗器，主要用于抑制无功补偿电容器引起的谐波放大。当用于抑制5次以上谐波放大时，电抗率通常取6%或7%；抑制3次以上谐波放大时电抗率通常取14%左右。其共同特征是电抗器与电容器的串联谐振频率f₁明显低于最低次主要谐波频率。例如电抗率为6%时，f₁约为204Hz，明显低于5次谐波频率250Hz。
    第三类称作调谐电抗器或滤波电抗器，既可抑制无功补偿电容器引起的谐波放大，又具有较强的谐波电流分流作用或滤波作用。其特征是电抗器与电容器的串联谐振频率f1略低于欲滤除的主要谐波频率，因此对欲滤除谐波呈现较低阻抗，以产生足够的谐波分流效果。例如用于滤除5次谐波时，电抗率一般取4%-5%，对应f₁在250Hz-224Hz之间。

    图8为针对5次谐波串联失谐电抗器的电容器组特性，其主要特点为： 1）主要作用是抑制谐波放大与共振，谐波分流作用较小； 2）补偿电容器支路中谐波电流较小； 3）对电容器、电抗器精度要求较低； 4）可采用普通并联补偿电容器。

    图9为针对5次谐波串联调谐电抗器的电容器组特性，其主要特点为：1）具有抑制谐波放大共振和谐波分流（滤波）双重作用；2）补偿电容器支路中谐波电流较大；3）对电容器、电抗器精度要求较高；4）需采用交流滤波电容器。

    调谐电容器支路已构成最简单的无源电力滤波器。

    1.4 串联电抗器的设计选用

    当负荷谐波含量很低（母线电压谐波含量不大于1%）时可不用串联电抗器或仅采用1%以下抗涌流串联电抗器；
    当母线电压谐波含量小于5%，且无谐波电流抑制、滤波需求时，可采用串联失谐电抗器。3次谐波电压含量低于0.5%时可采用6%或7%电抗器；3次谐波电压含量高于0.5%时应采用13%以上电抗器。

    当负载谐波较重或有滤波需求时，应采用调谐电抗器、无源滤波器或有源滤波器。当采用调谐电抗器时，电容器亦应采用滤波电容器。

    采用调谐电抗器或无源滤波器时，通常需要较为复杂的测试与设计，方可取得良好效果，并需要进行安全运行校验，以保证设备安全运行。

    且串联电抗器后，电容器工作电压和无功输出均增加，增加量等于串联电抗器比重。

    2. 无源电力滤波器
    2.1无源电力滤波器的基本构造与工作原理

    图10和图11分别为无源电力滤波器的主回路原理图及其谐波等效电路。由滤波电容器和电抗器串联构成一个或多个串联谐振滤波支路，分别谐振于需滤除的主要谐波频率，各滤波支路均与谐波负载并联，对负载谐波电流构成分流支路。

    假定负载谐波电流和网侧谐波电流分别为I_lh和I_sh，电网谐波电压为U_sh，电网谐波等效阻抗和滤波器谐波阻抗分别为Z_sh和Z_fh，由无源电力滤波器的谐波等效电路可得描述其滤波特性的方程：

 
     在对谐波频率串联谐振状态下，滤波支路对谐波电流呈现很低的阻抗，通常显著低于电网对谐波的等效阻抗，因此大部分谐波电流将被滤波器分流而不再流入电网，使Ish显著小于I_lh，从而得到良好的滤波效果。电网中的谐波电压也会在无源滤波器中产生谐波电流，需在滤波器设计时将此部分电流控制在较低水平。

    对于工频基波电压而言，无源滤波器等效为一个电容器，可补偿负载所需无功功率。

    通常，1个调谐支路只能滤除单一频率的谐波，当需要滤除多种谐波时需要采用多个调谐支路，分别调谐与不同谐波频率。图12时采用三个调谐支路分别调谐于5次、7次和11次谐波频率时所获得的滤波特性。

    上述由电抗器与电容器串联谐振所构成的无源滤波支路称作单调谐滤波器，是最简单也是最常用的无源滤波支路。除此之外，还有许多其它类型的无源滤波支路，如图13所示。

   2.2 影响无源滤波器效果的主要因素

    无源电力滤波器的工作原理是低阻抗并联分流，是被动滤波。由（4）式可以看出，无源电力滤波器的滤波效果是由滤波器的谐波阻抗和电网谐波阻抗共同决定的。对同一个无源滤波器而言，当电网内阻抗较小时滤波效果变差，如图14所示；对于相同的电网谐波阻抗而言，滤波器容量较小时，其谐波阻抗增加，滤波效果变差，如图15所示。

    2.3无源电力滤波器滤波效果实例

    图16为某企业无源电力滤波器滤波效果实测结果。由于该谐波负荷11次以上高次谐波含量丰富，滤波器设计充分考虑了对高次谐波的滤除效果。实测结果表明，滤波器对谐波电流的总滤除率在60%以上，滤波器投入前母排电压谐波含量高达8.2%，滤波器投入后降为4.3%，达到国家标准要求。

    2.4无源电力滤波器系统构成

    图17为典型无源电力滤波器系统图。系统由无源滤波支路、投切控制开关、保护元件、系统控制器等部分构成。投切开关可以采用机械开关，也可以采用晶闸管固态开关，主要视投切频繁程度而定。

    2.5无源电力滤波器的设计选用

    设计选用无源电力滤波器需注意以下几个方面：
     （1）滤波器的额定电压等级和基波频率要与系统一致；
     （2）确认系统中有无中线谐波滤波需求，有则选用3相4线系统；无则选用3相3线系统；
     （3）无源滤波器的基波无功容量应符合系统无功补偿需求；
     （4）滤波支路需根据系统谐波频谱进行设计或选用，必须从系统中最低次主要谐波开始；常用无源滤波器支路组合：无3次谐波时：5次，5次+7次，5次+7次+11次；有3次谐波时：3次，3次+5次，3次+5次+7次；
     （5）滤波器各支路分流的谐波电流强度不得超过该滤波支路的谐波电流额定值；
     （6）要根据系统阻抗和谐波电压含量进行滤波效果校验和安全运行校验。
     （7）无源电力滤波器一般不可与常规无功补偿电容器并联运行，否则仍会导致谐波放大，如图18。

    2.6 滤波电容器安全运行校验

    设计选用无源电力滤波器时，必须对滤波电容器进行安全运行校验，以确保电容器的安全运行。安全运行校验的基本原则是，电容器的实际工作电压和实际工作电流，在最坏情况下均不得超过电容器的额定值，并应留有适当安全余量。电容器的实际工作电压和实际工作电流可按下式计算：

    其中：α为串联电抗率；ω为工频角频率；h为谐波次数；U_S为系统电压；I_Cf和I_Ch分别为流过电容器的基波电流和h次谐波电流

    3.无源电力滤波器与有源电力滤波器的对比

    无源电力滤波器具有结构简单、造价低等优点得到广泛应用，但无源滤波器的滤波效果并不理想。在许多场合，由于各种因素的制约，采用无源滤波器后，谐波水平仍达不到相关标准要求。设计不良的无源滤波器还可能在滤除某些频率谐波的同时导致另外一些频率的谐波被放大。有源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方向，具有许多无源滤波器无法比拟的优点。关于有源电力滤波器的讨论已超出本文的范围，表1为无源电力滤波器与有源电力滤波器的对比，可供参考。

    五 结  语

    电力谐波问题是一种电网污染和公害，已引起人们的高度关注。在节能减排呼声日益增高的形势下，采取正确技术措施对电力谐波进行治理更加必要。采用电抗器等无源器件实现电力谐波抑制和谐波滤除，具有简单有效的突出优点，仍然是目前治理电力谐波问题的主要技术手段。正确掌握这一技术手段，有效治理电力谐波，具有重要意义。推广、应用电力谐波治理技术是有关专业技术人员义不容辞的责任。

参考文献
[1] George J. W.（徐政译）电力系统谐波. 机械工业出版社, 2003
[2] 王兆安等. 谐波抑制和无功功率补偿. 机械工业出版社, 1998