諧波抑制的工程設計方法探討

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濾波器的設計

LC濾波器是利用LC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。它們的結構和阻抗特性如圖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計值不完全相同，即在偏離設計值的一定范圍內(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。當結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，在設計時應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；