電力諧波抑制與無源電力濾波技術

一 引 言

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，不斷有新的電力電子裝置和其他非線性負荷(又稱為畸變負荷)接入電網，電網諧波水平逐年升高。電力諧波導致的各種問題日益突出，已受到供用電雙方的高度重視。對電力諧波進行治理刻不容緩。

用串聯電抗器抑制無功補償電容器導致的諧波共振與放大，用無源電力濾波器抑制電力諧波等技術措施具有技術成熟、簡單有效、價格較低等優(yōu)點，已得到日益廣泛的應用，是治理電力諧波的有效措施。

二 電力諧波的產生與危害

電力諧波主要由非線性負荷產生。非線性負荷吸收的電流與端電壓不成線性關系，結果電流發(fā)生波形畸變且導致端電壓波形畸變。這種周期性的畸變波形可按基頻(50Hz)展開成傅里葉級數形式，其大于基頻的分量即為諧波。圖1為一實測畸變電流波形，圖2為畸變波形的諧波分析示意圖。

產生電力諧波的設備非常廣泛，主要有變頻調速器、直流調速系統(tǒng)、整流設備、中高頻感應加熱設備、晶閘管溫控加熱設備、焊接設備、電弧爐、電力機車、不間斷電源、計算機、通訊設備、音像設備、充電器、變頻空調、晶閘管調光設備、電子節(jié)能燈等。

諧波的危害主要包括以下幾個方面：

(1)增加電力設施負荷，降低系統(tǒng)功率因數，降低發(fā)電、輸電及用電設備的有效容量和效率;

(2)引起無功補償電容器諧振和諧波放大，導致電容器因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行;

(3)產生脈動轉矩致使電動機振動，影響產品質量和電機壽命;

(4)由于渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱;

(5)增加絕緣介質的電場強度，降低設備使用壽命;

(6)零序諧波電流導致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角接法的變壓器繞組內產生環(huán)流;

(7)引起繼電保護設施的誤動作，造成繼電保護等自動裝置工作紊亂;

(8)改變電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分斷容量;

(9)使計量儀表特別是感應式電能表產生計量誤差;

(10)干擾鄰近的電力電子設備、工業(yè)控制設備和通訊設備，影響設備的正常運行。

三 電力諧波管制標準

為了保證電網和用電設備的安全、穩(wěn)定、經濟運行，目前許多國家、國際組織以及一些大電力公司都制定了相應的諧波標準。如關于公用電網諧波限制的IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993，關于用電設備諧波電流排放限制的IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z 17625.1-2003、GB/Z 17625.6-2003等等。

雖然各諧波標準都不盡相同，但都是大同小異，且所有標準的都是基于以下三個目的：

(1)將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制到系統(tǒng)及其所接設備能夠允許的水平;

(2)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電;

(3)不干擾其它系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作。

GB/T14549-1993《電能質量—公用電網諧波》是現行電力諧波監(jiān)督管理的國家標準。除要求電網各級電壓的諧波水平不超出國標限值外，要求用戶注入公用電網的諧波電流不超出國標允許值。否則應采取治理措施。

四 治理電力諧波的方法

諧波治理措施主要有三種：一是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，通過改進用電設備，使其不產生或少產生諧波;二是受端治理，即從受到諧波影響的設備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力;三是被動治理，即通過安裝電力濾波器，阻止諧波源產生的諧波注入電網，或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流人負載端。

由于諧波源的廣泛性和復雜性，主動治理方法受設備結構、效率、成本、可靠性等因素影響，只能解決部分問題，受端治理方法和被動治理方法仍是目前治理電力諧波問題的主要方法。例如通過串聯失諧電抗器抑制無功補償電容器導致的諧波共振放大，通過在系統(tǒng)中安裝無源電力濾波器和有源電力濾波器進行濾波等等。

1.諧波共振抑制與串聯電抗器的應用

1.1 無功補償電容器引起的諧波共振與放大

當系統(tǒng)中含有諧波時，無功補償電容器會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯諧振，導致諧波放大。圖3為補償電容器引起5次諧波共振的實例。

圖4為補償電容器與電網阻抗并聯諧振的諧波等效電路。其中C為補償電容器容量， Ls和rs分別為電網等效電抗和等效電阻， Ilf和Ilh分別為負載的基波電流和諧波電流強度，Isf和Ish分別為網側的基波電流和諧波電流強度，Us為電網諧波電壓。

定義網側諧波電流Ish與負載諧波電流Ilh之比Ish/Ilh為諧波放大因子，則Ish/Ilh與諧波頻率的關系如圖5所示，共振頻率f0由(1)式確定：

作為典型參考值，假定配電變壓器短路阻抗為6%，補償容量為變壓器額定容量的50%(或30%)，若忽略高壓線路的短路阻抗，則諧振頻率f0約為288Hz(或372Hz)。計入高壓線路短路阻抗后f0還會略低一些。因此，如果負載電流中含有5次、7次等諧波分量，則會被顯著放大。

1.2串聯電抗器的作用

解決補償電容器引起諧波放大問題的有效方法是在電容器支路中串聯適當電抗器。 如圖6所示。

串聯電抗器L后，系統(tǒng)并聯諧振頻率f0向低頻方向移動，由(2)式確定。同時L與C構成一串聯諧振支路，諧振頻率f1由(3)式確定。

定義電抗率為串聯電抗器的基波感抗與電容器基波容抗的比，令電抗率由0逐次增大1%，可得到一組諧波放大因子Ish/Ilh隨諧波頻率的變化曲線，如圖7所示。

隨著電抗率的增加，并聯諧振頻率f0向低頻方向移動。當頻率高于串聯諧振頻率f1時， Ish/Ilh總是小于1的，即頻率高于的諧波f1的諧波不會被放大。因此只要針對系統(tǒng)中的最低次諧波頻率，選擇適當的電抗率，使諧振頻率f0和f1低于主要諧波頻率，即可避免諧波放大問題。

在f1附近，Ish/Ilh取得極小值，說明該頻率附近的諧波得到較大抑制，這是由于L與C串聯諧振，對諧振頻率的諧波呈現極小阻抗，將諧波分流的結果。

1.3 串聯電抗器的分類

在實際應用中，串聯電抗器可分為三類：

第一類稱作抗涌流電抗器，主要用途是限制電容器投入系統(tǒng)時的涌流，其電抗率一般小于1%。這類電抗器對抑制諧波放大一般沒有正面作用。

第二類稱作失諧電抗器或消諧電抗器，主要用于抑制無功補償電容器引起的諧波放大。當用于抑制5次以上諧波放大時，電抗率通常取6%或7%;抑制3次以上諧波放大時電抗率通常取14%左右。其共同特征是電抗器與電容器的串聯諧振頻率f1明顯低于最低次主要諧波頻率。例如電抗率為6%時，f1約為204Hz，明顯低于5次諧波頻率250Hz。

第三類稱作調諧電抗器或濾波電抗器，既可抑制無功補償電容器引起的諧波放大，又具有較強的諧波電流分流作用或濾波作用。其特征是電抗器與電容器的串聯諧振頻率f1略低于欲濾除的主要諧波頻率，因此對欲濾除諧波呈現較低阻抗，以產生足夠的諧波分流效果。例如用于濾除5次諧波時，電抗率一般取4%-5%，對應f1在250Hz-224Hz之間。

圖8為針對5次諧波串聯失諧電抗器的電容器組特性，其主要特點為： 1)主要作用是抑制諧波放大與共振，諧波分流作用較小; 2)補償電容器支路中諧波電流較小; 3)對電容器、電抗器精度要求較低; 4)可采用普通并聯補償電容器。

圖9為針對5次諧波串聯調諧電抗器的電容器組特性，其主要特點為：1)具有抑制諧波放大共振和諧波分流(濾波)雙重作用;2)補償電容器支路中諧波電流較大;3)對電容器、電抗器精度要求較高;4)需采用交流濾波電容器。

調諧電容器支路已構成最簡單的無源電力濾波器。

1.4 串聯電抗器的設計選用

當負荷諧波含量很低(母線電壓諧波含量不大于1%)時可不用串聯電抗器或僅采用1%以下抗涌流串聯電抗器;