電力諧波抑制與無源電力濾波技術

當母線電壓諧波含量小于5%，且無諧波電流抑制、濾波需求時，可采用串聯(lián)失諧電抗器。3次諧波電壓含量低于0.5%時可采用6%或7%電抗器;3次諧波電壓含量高于0.5%時應采用13%以上電抗器。

當負載諧波較重或有濾波需求時，應采用調諧電抗器、無源濾波器或有源濾波器。當采用調諧電抗器時，電容器亦應采用濾波電容器。

采用調諧電抗器或無源濾波器時，通常需要較為復雜的測試與設計，方可取得良好效果，并需要進行安全運行校驗，以保證設備安全運行。

且串聯(lián)電抗器后，電容器工作電壓和無功輸出均增加，增加量等于串聯(lián)電抗器比重。

2. 無源電力濾波器

2.1無源電力濾波器的基本構造與工作原理

圖10和圖11分別為無源電力濾波器的主回路原理圖及其諧波等效電路。由濾波電容器和電抗器串聯(lián)構成一個或多個串聯(lián)諧振濾波支路，分別諧振于需濾除的主要諧波頻率，各濾波支路均與諧波負載并聯(lián)，對負載諧波電流構成分流支路。

假定負載諧波電流和網側諧波電流分別為Ilh和Ish，電網諧波電壓為Ush，電網諧波等效阻抗和濾波器諧波阻抗分別為Zsh和Zfh，由無源電力濾波器的諧波等效電路可得描述其濾波特性的方程：

在對諧波頻率串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波支路對諧波電流呈現(xiàn)很低的阻抗，通常顯著低于電網對諧波的等效阻抗，因此大部分諧波電流將被濾波器分流而不再流入電網，使Ish顯著小于Ilh，從而得到良好的濾波效果。電網中的諧波電壓也會在無源濾波器中產生諧波電流，需在濾波器設計時將此部分電流控制在較低水平。

對于工頻基波電壓而言，無源濾波器等效為一個電容器，可補償負載所需無功功率。

通常，1個調諧支路只能濾除單一頻率的諧波，當需要濾除多種諧波時需要采用多個調諧支路，分別調諧與不同諧波頻率。圖12時采用三個調諧支路分別調諧于5次、7次和11次諧波頻率時所獲得的濾波特性。

上述由電抗器與電容器串聯(lián)諧振所構成的無源濾波支路稱作單調諧濾波器，是最簡單也是最常用的無源濾波支路。除此之外，還有許多其它類型的無源濾波支路，如圖13所示。

2.2 影響無源濾波器效果的主要因素

無源電力濾波器的工作原理是低阻抗并聯(lián)分流，是被動濾波。由(4)式可以看出，無源電力濾波器的濾波效果是由濾波器的諧波阻抗和電網諧波阻抗共同決定的。對同一個無源濾波器而言，當電網內阻抗較小時濾波效果變差，如圖14所示;對于相同的電網諧波阻抗而言，濾波器容量較小時，其諧波阻抗增加，濾波效果變差，如圖15所示。

2.3無源電力濾波器濾波效果實例

圖16為某企業(yè)無源電力濾波器濾波效果實測結果。由于該諧波負荷11次以上高次諧波含量豐富，濾波器設計充分考慮了對高次諧波的濾除效果。實測結果表明，濾波器對諧波電流的總濾除率在60%以上，濾波器投入前母排電壓諧波含量高達8.2%，濾波器投入后降為4.3%，達到國家標準要求。

2.4無源電力濾波器系統(tǒng)構成

圖17為典型無源電力濾波器系統(tǒng)圖。系統(tǒng)由無源濾波支路、投切控制開關、保護元件、系統(tǒng)控制器等部分構成。投切開關可以采用機械開關，也可以采用晶閘管固態(tài)開關，主要視投切頻繁程度而定。

2.5無源電力濾波器的設計選用

設計選用無源電力濾波器需注意以下幾個方面：

(1)濾波器的額定電壓等級和基波頻率要與系統(tǒng)一致;

(2)確認系統(tǒng)中有無中線諧波濾波需求，有則選用3相4線系統(tǒng);無則選用3相3線系統(tǒng);

(3)無源濾波器的基波無功容量應符合系統(tǒng)無功補償需求;

(4)濾波支路需根據系統(tǒng)諧波頻譜進行設計或選用，必須從系統(tǒng)中最低次主要諧波開始;常用無源濾波器支路組合：無3次諧波時：5次，5次+7次，5次+7次+11次;有3次諧波時：3次，3次+5次，3次+5次+7次;

(5)濾波器各支路分流的諧波電流強度不得超過該濾波支路的諧波電流額定值;

(6)要根據系統(tǒng)阻抗和諧波電壓含量進行濾波效果校驗和安全運行校驗。

(7)無源電力濾波器一般不可與常規(guī)無功補償電容器并聯(lián)運行，否則仍會導致諧波放大，如圖18。

2.6 濾波電容器安全運行校驗

設計選用無源電力濾波器時，必須對濾波電容器進行安全運行校驗，以確保電容器的安全運行。安全運行校驗的基本原則是，電容器的實際工作電壓和實際工作電流，在最壞情況下均不得超過電容器的額定值，并應留有適當安全余量。電容器的實際工作電壓和實際工作電流可按下式計算：

其中：α為串聯(lián)電抗率;ω為工頻角頻率;h為諧波次數;US為系統(tǒng)電壓;ICf和ICh分別為流過電容器的基波電流和h次諧波電流

3.無源電力濾波器與有源電力濾波器的對比

無源電力濾波器具有結構簡單、造價低等優(yōu)點得到廣泛應用，但無源濾波器的濾波效果并不理想。在許多場合，由于各種因素的制約，采用無源濾波器后，諧波水平仍達不到相關標準要求。設計不良的無源濾波器還可能在濾除某些頻率諧波的同時導致另外一些頻率的諧波被放大。有源電力濾波器是電力諧波治理技術的最新發(fā)展方向，具有許多無源濾波器無法比擬的優(yōu)點。關于有源電力濾波器的討論已超出本文的范圍，表1為無源電力濾波器與有源電力濾波器的對比，可供參考。

五 結 語

電力諧波問題是一種電網污染和公害，已引起人們的高度關注。在節(jié)能減排呼聲日益增高的形勢下，采取正確技術措施對電力諧波進行治理更加必要。采用電抗器等無源器件實現(xiàn)電力諧波抑制和諧波濾除，具有簡單有效的突出優(yōu)點，仍然是目前治理電力諧波問題的主要技術手段。正確掌握這一技術手段，有效治理電力諧波，具有重要意義。推廣、應用電力諧波治理技術是有關專業(yè)技術人員義不容辭的責任。

參考文獻

[1] George J. W.(徐政譯)電力系統(tǒng)諧波. 機械工業(yè)出版社, 2003

[2] 王兆安等. 諧波抑制和無功功率補償. 機械工業(yè)出版社, 1998