谐波抑制的方法及其特点.docx

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谐波抑制的方法及其特点

谐波抑制的方法及其特点（总6页）

电力系统谐波抑制方法及其特点分析

随着电力电子技术的发展，接入电网的整流、换流设备和其他各种非线性负荷设备日益增加，这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，危及电力设备、用户设备和电力系统的安全运行。

必须采取措施，抓紧治理，抑制电力系统谐波，把电网中的谐波含量控制在允许范围之内[1]。

电力系统谐波抑制是改善电能质量、净化电网的一个重要方面。

对谐波抑制的方法主要有三种途径:

第一种是在谐波源上采取措施，从改进电力电子装置入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是最大限度地避免谐波的产生；第二种是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。

这类方法属于对已产生的谐波进行有效抑制的方法;第三种就是改善供电环境[2]。

1、降低谐波源的谐波含量

降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。

这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用，并避免因加装消谐装置而引发的其它负面影响。

具体方法有:

增加换流装置的脉动数

换流装置是电网中的主要谐波源之一，其产生的谐波主要集中在特征谐波，非特征谐波含量通常很少，特征频谱为:

n=kp士1，则可知脉动数p增加，n也相应增大，而工n、工l/n，故谐波电流将减少。

因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。

例如:

当脉动数由6增加到12时，可有效的消除幅值较大的低频项，从而使谐波电流的有效值大大降低。

利用脉宽调制（PWM）技术

PWM技术，就是在所需的频率周期内，通过半导体器件的导通和关断把直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，可达到抑制谐波的目的。

若要消除某次特定谐波，可在控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性，根据输出波形的傅里叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，组成非线性超越方程组计算各个开关通断时刻，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。

PwM技术的优点是在载波频率高时，输出中所含低次谐波分量很小，从而提供了功率因数。

目前被采用的PWM技术有最优脉宽调制（OPWM）、改进正弦脉宽调制、△调制、跟踪型PWM和自适应PWM控制等。

三相整流变压器采用Y，d（Y/△）或D，y（△/Y）的接线方式

这种接线方式可抑制3的倍数次的高次谐波，也可作为隔离变压器使用。

以△/Y形接线方式为例:

当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。

但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通（三相相位一致），而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势，从而产生3的倍数次的高次谐波电流。

因为它们相位一致，只能在三角形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势，不致使谐波注入公共电网。

作为隔离变压器使用时，可使3N次谐波电流与配电系统相隔离。

这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波。

采用多电平变流技术

也称整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。

重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。

该方法用于桥式整流电路中，不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值。

如果把上述方法与PWM技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。

限制整流设备的容量

系统短路容量与所供电的整流器容量之比称为短路比，一般而一言，短路比愈大，允许注入的谐波电流越大。

因此，在进行报装审批时，应该根据系统短路容量的大小来限制新接入的非线性负荷的容量。

在整流电路中串接电抗器

整流电路内部的感抗越大，则换流时间越长，电流波形变化越缓慢，因此，在整流电路中串接适当的电抗器也可以减少高次谐波电流。

2、在谐波源处吸收谐波电流

在谐波源设备已确定的情况下，在谐波源处安装滤波装置，吸收谐波电流，是防止谐波电流注入电网的有效措施。

对用户侧进行谐波治理通常采取接入无源滤波器或有源滤波器。

这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法，主要分为以下几种:

加装无源滤波器（PassivePowerFilter，简称PPF）

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成无源网络，吸收负载产生的谐波电流。

无源滤波器分调谐滤波器与高通滤波器，前者分单调谐滤波器和双调谐滤波器，用于吸收单一次数或相邻的两次谐波，后者用于吸收某一次及以上各次谐波。

无源滤波器滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。

由于具有成本低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波器时目前采用的抑制谐波即无功补偿的主要手段。

滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。

单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振构成，如下图所示。

滤波器对n次谐波阻抗为

图4-1滤波器的接线方式

（a）单调谐滤波器（b）双调谐滤波器（c）一阶减幅型滤波器

（d）二阶减幅型滤波器（e）三阶减幅型滤波器（f）C型滤波器

在谐振点处

，谐振时的谐波次数

，谐波阻抗Z=R由于R很小，所以n次谐波电流主要由R分流，很少流入电网中，而对于其他次数的谐波，谐波阻抗Z>>R，滤波器分流很少。

双调谐滤波器图4一1（b）的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，它同时吸收两种频率的谐波。

与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。

这种滤波器结构比较复杂，调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术经济上的优势。

高通滤波器有一阶减幅型（图4一1（c））、二阶减幅型（图4一1（d））、三阶减幅型（图4一1（e））和C型（图4一1（f））。

当频率低于其截止频率f0（f0=1/2

RC）时，由于容抗的作用，使得低次谐波电流难以通过;而当频率高于f0时，由于容抗减小，高次谐波电流便可顺利通过电容器和电阻，总的阻抗也变化不大，形成一个通频带。

一阶减幅型由于基波功率损耗太大，

一般不采用；二阶减幅型的基波损耗较小，且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用的较多；三阶减幅型的基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型，用的也不太多；C型滤波器滤波特性介于二阶和三阶之间，主要优点是C与L对基波串联调谐，有功功率损耗较低

低成本的无源滤波器是至今为止在滤除谐波时使用最为广泛的补偿装置，用其抑制谐波在经济上和技术上都可以接受。

其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。

此外，它只能消除特定次谐波，导致整个装置占地面积大。

因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器

装设静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如:

电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。

在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，从而提高功率因数。

另外，无功补偿装置中通过电感和电容的合理设置，可在某次频率点产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。

可有效减少波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

静止补偿装置的基本结构是由快速变化的电抗或电容元件组合而成。

目前应用较多的四种是自饱和电抗器SR、晶闸管控制电抗器、晶闸管控制高漏抗变压器和晶闸管投切电容器。

自饱和电抗器SR由负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度，当负荷发生变化时其电抗值随之发生变化，从而调节无功输出的大小:

晶闸管控制电抗器TCR通过改变控制角而改变导通时间，相当于调节电抗器电抗达到改变无功输出的目的;晶闸管控制高漏抗变压器TCT工作原理与TCR相同，晶闸管断开时呈高电抗特性，接通时根据控制角调节无功输出的大小，因为使用了变压器，故可以直接接入高压侧;晶闸管投切电容器TSC的晶闸管在超前电压90度时接通并在断开前一直保持该控制角，如果电压是正弦波，则流过TSC电流也是正弦波，故没有谐波产生，但这种TSC不能在导通期间改变无功输出的大小。

由于TCR和TCT通过控制晶闸管的开通角度以调节电抗器电抗，在控制角大于90°时不能得到与交流电源对应的完整波形。

SR的谐波来自磁饱和和非线性。

所以这三种形式不可避免有谐波产生。

因此在使用时必须考虑到对它们自身所产生谐波的抑制，这就增加了结构和设计上的复杂

电力有源滤波器补偿法

无源滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量，抑制某些谐波，但却不能对变的高次谐波动态补偿。

现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器APF（ACactivePowerFilter）了。

APF能对幅值和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿。

利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

有源滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络，因此可以分为并联有源滤波器和串联滤波器。

其基本结构是一个DC\AC逆变桥与\或一个谐波注入电路。

按照PWM逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有源滤波器。

①并联有源电力滤波器

1896年，AkagiH提出用并联有源滤波器消除谐波的方法，如同4一2所示。

这种装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。

通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量进行补偿，功能多，连接也方便。

但是，由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器件电压等级要求高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波器装置的容量也必须很大，因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合电感型负荷的谐波补偿;开关引起的谐波电流将影响电路中的PF或电容器的滤波特性，若利用LC网络吸收这部分高次谐波，由于LC网络受电网参数的影响，PWM逆变器输出的谐波频带又很宽，所以LC网络难以设计

4—2并联有源电力滤波器框图

为了降低加到逆变桥的交流电压，可以选择用LC串联或并联网络作为注入电路，如图4一3、图4一4所示。

在图途4一3中，LC在基波频率处串联谐振，逆变桥不承受基波电压，而在谐振频率之处有Zr>>Zc，滤波器产生的谐波电流可以完全流入主电路。

并联LC方式原理与之类似

为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿，可以将高次谐波和低次谐波分开各相单独补偿，也可将有源滤波器和无源滤波器相结合进行补偿。

并联有源电力滤波器能对谐波和无功功率进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗的影响，主要适用于感性电流源负载的谐波补偿，目前技术上比较成熟，但其有源装置容量相对较大，投资多，运行效率低。

②串联有源电力滤波器

图4一5是单独使用串联有源电力滤波器的方案。

通过3个单相变压器串联在电源和负载之间，串联有源电力滤波器在此系统中相当于一个电压控制电压源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。

主要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波电压波动对敏感负载的影响。

串联有源电力滤波器装置容量小，运行效率高，对谐波电压源类型的负荷有较好的补偿特性。

但其绝缘强度高，难以适应线路故障条件而且不能进行无功功率动态补偿，工程实用性受到限制，其投切、故障后的退出及各种保护较并联型APF复杂。

目前单独使用少，国内外研究主要集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器。

图4—5串联有源电力滤波器框图

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。

随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。

当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。

可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

3、改善供电结构

增加谐波源负荷接人点电网的短路容量

（1）靠近发电厂处短路容量大，即基波和谐波短路阻抗小，同样电压等级允许的谐波电流就大。

也就是说注入电网相同的谐波电流时，此谐波电流在较小的谐波阻抗上、产生的谐波电压比较小。

如我省衙州化工厂装有许多甚大的非线性负荷，但该厂拥有较大机组的自备电厂，系统短路容量较大，结果谐波电压并不高，均未超标;反之如临海电化厂仅有20ookW的非线性负荷，但该厂处在电网末端，谐波阻抗较大，谐波电压竟超标许多。

（2）一般较高电压等级母线的短路容量比较低电压等级大，具有承担较大谐波的能力。

有时一台3吨电弧炉若从l0kV母线供电，谐波电流往往超标，若改用35kV母线供电，谐波电流可能合格，故必要时应适当升高谐波源用户供电的电压等级。

（3）尽量将谐波源用户的谐波源及非谐波源用电设备分配到不同的供电母线上，以减少谐波对本厂电气设备的影响。