图外二谈谐波

摘要:“图外三谈谐波”共三文：“一谈”为“概述”、“二谈”为“治理措施”、“三谈”为“讨论及建议”，总体给出谐波的整体轮廓及综合治理的理念。本文“二谈”系“一谈”的继篇，首先介绍了减小谐波污染的六类主动措施；接着介绍了减小谐波污染的两大类被动措施，文中涉及正在研发的新技术仅供参考。

此“图外三谈谐波”为继“图外谈照明”、“图外再谈照明”的姊妹篇，亦系沉思指导实践环节教学，以“图外谈设计”形式，倡“弹指CAD，勿忘据理论”的工程观。

关键词:电磁兼容; 谐波抑制; 无功功率补偿;功率因数; 电能质量

Abstract：There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This “second” article refers to the inheriting section of the “first” one, it firstly introduces six kinds of active measures to reduce harmonics pollution; and then introduces two kinds of passive measures to reduce harmonics pollution. The new technologies involved in this article are only for references

This article of the third "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.

Key words：Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy.

中图分类号： R187+.7文献标识码：A文章编号：

1、减小谐波污染的主动措施

主动措施是通过改变非线性负载的电路拓扑结构和控制方法，使之少产生，甚至不产生谐波。

1.1加强系统承受谐波的能力

1.1.1增大系统容量，可以增强系统承受谐波的能力并降低系统的谐波电压水平，但这有待于电力系统的发展。

1.1.2将谐波源负荷改由容量较大的母线供电，或改由高一等级电压的电网供电。

1.2中小功率非线性负载在电源和负载级间联APFC

APFC为校正电源输出电流波形和相位作用的有源功率因素校正器。它一般采用有源两级多开关或两级单开关结构，处理负载消耗的所有功率。有源开关承受较大的电压、电流应力，开关损耗大。目前单相有源功率因素校正技术已成熟，各公司已推出各种专用芯片，应用己很方便。实际电网中三相电力电子设备占有很大比重，然而三相有源功率因素校正技术却尚未成熟，因此对APFC的研究将是这一领域今后发展的重点。

1.3大功率非线性负载

因其技术含量高，难度大，普遍存在成本高、效率低，运用尚不普遍。改造方法有三种：

1.3.1改用脉宽调制技术，如PWM整流；

1.3.2多重化技术，如多脉整流；

1.3.3两者的结合。

1.4变压器选型

由于电力系统中非正弦交流电压或电流波形的特点是：其函数的波形在坐标图上跟时间轴移动半个周期后与原波形相对于横轴呈镜像对称。这种函数经傅立叶变换后的级数中仅含有奇数次谐波。因此，采用Yd或Dy接线后，注入电网的就只有3、5、7、9、11、13、…等次谐波电流。

1.4.1 10（6）/0.4---0.23kV变压器选用Dyn11联绕组。因其3n次谐波（n为正整数）在三角形接线的一次绕组内形成环流，不致注入公共电网，较之一次绕组接成星形的Yyn0联绕组更有力地抑制高次谐波。

1.4.2 三相整流变压器采用Yd或Dy接线。由于3次及3的倍数次谐波电势在星形联结的绕组内不能形成谐波电流，而在三角形联结的绕组内可形成环流，因此采用Yd或Dy接线的三相整流变压器，能使注入电网的谐波电流中消除3及3的倍数次谐波。

1.5增加换流器的相数

由分析可知，电网中大量使用的换流设备，其特征谐波次数n为：

公式（1）

式中：p―整流电路相数或每周脉冲数； K―整数为1、2、3…。

同时又知：谐波电流。因此，当相数p增加时，n增大，谐波电流就可减小。但增加相数将增加设备成本，且换流变压器接线复杂、利用系数低。可采用其他的接线方式，如：当有多台换流器相等地在同一处分担负载时，可在换流变压器二次绕组之间设置固定的某相位移，理论上可消除某几次谐波。

1.6气体放电光源镇流器

将电子式和电感式镇流器混用，可将两者主要谐波相位错开，互相抵消，可减少向电网反馈的谐波量。

2、减小谐波污染的被动措施

被动措施则是通过设置各种滤波设备或者其他设备来吸收、补偿已产生的谐波。

2.1无源电力滤波器PPF

交流无源滤波器由电力电容、电抗和电阻等无源元件通过适当组合构成，利用其在某一谐波频率下谐振时的低阻对谐波分流，相当于对此频率谐波滤波，故常称为RLC构成的PPF滤波器。除滤波作用外，还兼顾无功补偿。迄今为止这种无源滤波器仍是使用最普遍，技术和经济上都较合理的抑制谐波的方式。PPF常用接线见图1。

2.1.1 单调谐滤波器如图a)，由R、L、C串联构成，其阻抗值随频率变化曲线为有一谷点的倒单峰形。当需滤除n次谐波时，使此串联组合谐振于n次谐波，滤波器相对于此次谐波的阻抗正处于谷点（最小），n次谐波将大部分由滤波器分流滤除。其他次数的谐波，滤波器分流却很少。故单调谐滤波器只对需要滤除的固定次数谐波起滤除作用。

2.1.2双调谐滤波器如图b)，它提供两个低阻调谐点，同时吸收两种频率的谐波,由于结构比较复杂，调谐困难，应用比较少,一般用在大型直流输电工程中。

2.1.3 高通滤波器也由R、L、C组合而成，结构形式多样。当参数选择适当，滤波器阻抗值随频率变化的曲线在很宽的频率范围内呈低阻抗，可对较高次的谐波电流形成低阻通路，从而滤除。它又分为：

2.1.3.1一阶减幅型见图c)，由于基波功率损耗太大，一般不采用；

2.1.3.2二阶减幅型见图d)，基波损耗较小且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用得最多；

2.1.3.3三阶减幅型见图e)，基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型好，用得也不多；

2.1.3.4 C型滤波器见图f)，是一种新型式，特性介于二阶和三阶之间。C2和L对基波串联谐振，基波损耗极小，只是它对工频偏差及元件参数变化较为敏感、C1安装容量大。

通常将若干单调谐滤波器与一个高通滤波器配成一个滤波装置后与谐波源并联连接。单调谐滤波器主要用来滤除谐波源中某特征次谐波，而高通滤波器则滤除余下的更高频率的谐波。

无源电力滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，是目前使用最广泛的电力滤波装置。其缺点为：谐波滤波频带窄，只能消除特定的几次谐波；抑制电压偏差和不平衡度、以及由波动性负荷产生的无功倒送难协调；滤波效果与系统运行参数密切相关，常在滤除谐波相邻低频和系统阻抗发生谐振，导致高、大流、放电、跳闸。

在建筑电气领域，PPF按电压又分为两类：

⑴ 高压滤波装置装在10kV配电系统的电源公共连接点，各电源母线均安一套，各用户共用；

⑵ 低压滤波装置装在配电变压器低压母线及长干线末端用户配电箱谐波源附近。

图1无源电力滤波器常用接线

a) 单调谐滤波器b) 双调谐滤波器c) 一阶高通滤波器d) 二阶高通滤波器e) 三阶高通滤波器f) C型高通滤波器

2.2有源电力滤波器APF

APF是20世纪80年代迅速发展起来的一种治理谐波污染的滤波新装置，它能滤除幅值和频率都变化的谐波，以及对变化的无功进行补偿。它具有高度可控和快速响应的特性，能抑制各次谐波、补偿无功，其滤波特性不受系统阻抗的影响，具有自适应能力，可自动跟踪补偿变化的谐波。跟踪谐波电流或电压的控制策略是决定APF输出性能和效率的要害。因为求得补偿信号参考值后，只有通过反馈环节控制变流器的开关器件，使变流器产生与参考信号相等的实际信号才能补偿谐波。

2.2.1原理

图2为有源电力滤波器的原理结构示意图。设负荷电流波形为方波（如图3 a)），可将其分解为正弦基波电流iF和谐波电流iH。有源滤波器首先实时检测出负荷电流中的谐波分量iH（如图3 b)），再通过发生器发出与iH大小相等方向相反的补偿电流ic（如图3 c）注入电网以抵销iH，从而使系统侧电流is仅为负荷电流的基波分量iF（如图3 d)）。显然，要使谐波得到有效补偿，有源电力滤波器应满足：

2.2.1.1谐波电流检测器应能实时准确的检测出负荷电流iL中的谐波分量iH.

2.2.1.2谐波电流发生器应能及时准确地产生补偿电流iC并注入电网。

目前，谐波电流检测普遍采用基于瞬时无功理论的瞬时谐波电流检测法，而电流发生器主回路则采用基于电流跟踪控制的PWM逆变器。

有源电力滤波器既可与谐波源设备配套使用，用于消除特定设备的集中谐波污染，也可独立用于配电网消除某些分散性谐波源（如家用电器等）造成的电网谐波。目前，国内外已有单台容量达数百千伏安的有源电力滤波器投入使用。

图2有源电力滤波器原理示意图图3谐波电流的补偿

a)负荷电流b)负荷电流中的高次谐波分量c)有源电力

滤波器产生的补偿电流d) 补偿后的电流即电压电流

2.2 分类

2.2.1按控制方法分有单周控制、无差拍控制、差拍控制、滑模变结构控制、定时控制、滞环控制等；

2.2.2按电压等级和响应速度分电压等级和响应速度有相应关系，是选择滤波器的重要依据，而系统的成本又与响应速度成正比。

2.2.2.1低功率系统功率小于100kVA，大量减少所联电容，其响应速度相对快（10微秒到几毫秒）。

2.2.2.1.1单相系统使低功高频的功率器件具更好的操作性，但缺乏强制性规章一般用户不大可能投资于此；

2.2.2.1.2三相系统三相平衡负载用三相APF，三相不平衡负载(尤其三相四线制系统)宜用三台单相APF。

2.2.2.2中功率系统功率100kVA～10MVA，包括可忽略三相不平衡的中高压动力设备。其响应时间一般在10ms以内，鉴于高压及其绝缘，主要用于消谐。

2.2.2.3高功率系统缺乏能控大电流的高频电力电子器件，此系统应用较少。

2.2.3按与电网的连接方式(拓扑结构)分参见图4：

2.2.3.1 并联型最重要、最广泛的应用类型，应用于电流源型非线性负载抑谐、补偿无功及平衡三相。由于交流电源基波电压直接加在变流器上，补偿电流基由变流器提供，故要求变流器容量大。见图4a)，又分两种：

2.2.3.1.1不需要检测负载谐波电流类：近提出的尚处于实验研发的新型，单周控制属此。优点是开关调制频率恒定、控制系统简单（仅由RS触发器或D触发器构成的控制器、比较器、积分器及时钟电路等几部分组成）、可在一个周期内消除开关变量和控制参考信号间的稳态和动态误差。缺点是系统性能易受外界条件的影响、抗干扰性能差、难以稳定工作、补偿后的电源输出电流波形有畸变、轻载时畸变较严重、系统对电路参数要求十分精确、否则电网侧电路上有电流直流分量产生。这些缺点极大地阻碍了它的推广应用。目前研究的单周控制APF仅适合于中小功率负荷。

2.2.3.1.2需要检测负载谐波电流类：理论研究及技术开发最为成熟，国外已大量投入使用的新型。凭其突出的补偿性能和优点，具有极大的开发和应用前景，成为电力谐波抑制技术发展的主流。主要类型为：

⑴无差拍控制---根据系统的状态方程和当前的状态信息推算出下一周期的开关控制量，最终使输出量跟踪输入量，从而使电流误差为零的全数字化控制。优点是动态响应很快，易于计算机执行。缺点是对系统参数依赖性大、鲁棒性较差、瞬态响应的超调量大、计算的实时性强、计算量很大，造成延迟，对硬件要求高。但随着高性能DSP应用的不断普及，基于这种控制方法的APF研究成果不断出现。

⑵差拍控制---取消无差拍控制环节中的电流预测环节，克服了无差拍控制量大的缺点，使APF在第k+1时刻输出的补偿电流跟踪第k时刻检测到的实际谐波电流。但基于差拍控制方法的APF尚限于理论研究。

⑶滞环控制---根据给定的补偿信号与测得的逆变器输出电流的误差来控制逆变器开关的动作，是目前使用十分广泛的一种闭环控制方法。当误差超过滞环的上、下限时开关即动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕参考信号上下波动。控制方式简单、动态响应快、开关损耗小、对负载的适应能力强、具有内在的电流限制能力、输出电压中不含特定频率的谐波分量。但开关频率变化较大，易引起脉动电流和开关噪声，且系统的开关频率、响应速度和电流的跟踪精度受滞环带宽影响。减少环宽可提高电流跟踪性能，但功率开关的频率变化大，开关损耗增加。反之则电流跟踪性能变差，电流脉动增加。

还有，如滑模变结构控制、定时控制方法、空间矢量PWM控制、相移SPWM等。

2.2.3.2串联型通过变压器串联在电网和负载间，APF相当一个受控电压源，主要用于消除带容性负载的二极管整流电路等电压谐波源对系统的影响，消除系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。它的优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适应。缺点是流过很高的负载电流，使得变压器的额定参数上升，体积变大，损耗变大。此外串联型APF投切、故障后的退出及各种保护也较为复杂，故目前实际投入使用仍较少。主要用于补偿视为电压源的谐波源，应用于改进电网谐波电压质量，及为电压敏感型设备提供正弦电压，见图4b)。

2.2.3.3混合型

2.2.3.3.1串并混合型：结合串联型及并联型之优点，能决电力系统大多数电能质量问题，故有称电能质量综合补偿器(UPQC)。但控制复杂，造价高，见图4c)；

2.2.3.3.2串有源后并无源混合型：高阻抗串联有源电力滤波器回路并联无源滤波回路，以消除负载的高次谐波电流，谐波电流基由无源滤波器提供，而有源电力滤波器则改善无源滤波器的滤波特性，见图4d)；

2.2.3.3.3并有源与无源混合型：有源电力滤波器用于消除低频谐波部分，而无源滤波器用于消除负载谐波电流。其损耗较少，但含较多储能元件(尤无源滤波器部分)，只适用于谐波已定的单个负载，见图4e)

2.2.3.3.4有源与并无源串混型：其无源滤波器用于降低有源电力滤波器的容量(以L、C构成泣入回路，利用LC谐振特性，使有源电力滤波器仅承担极小部基波电压)，主要用于中高电压设备，见图4f)。

2.2.4按补偿参数分

2.2.4.1谐波补偿

2.2.4.1.1谐波电压补偿---用户公共连接点端压限制在一定的谐波失真和电压偏差范围，且多不随负载而变化。谐波电压与谐波电流补偿相互关联，公共连接点谐波电压的减小有利于谐波电流降低，尤适用于固有频率在谐振频率附近的非线性负荷。但此并不能解决非线性负荷的谐波电流问题；

2.2.4.1.2谐波电流补偿---电流的大小和波形定了电力系统的状态，极大地降低用户公共连接点电压的失真。

2.2.4.2无功补偿：虽适用于低功率系统，但市场有廉价、慢速，也有动态的此类补偿装置，有源电力滤波器极少用于功率因素修正。

2.2.4.3三相系统平衡

2.2.4.3.1主电压平衡---不平衡程度取决于电流不平衡程度和电源电抗大小，并导致电压不平衡，相位差不是120°。此法给各相加相应的瞬时电压，使相电接近参考正弦波形。中高功率设备电抗不致对系统性能影响太大，故其常用于低功率系统；

2.2.4.3.2主电流平衡---流入大功率管极电流取决于系统不平衡程度，此法多用于住宅配电系统装置低功率三相设备额定电流内。

2.2.4.4合补偿

2.2.4.4.1谐波电流和无功的补偿---采用一台有源电力滤波器合补偿谐波电流和无功，且使电压、电流同相，限于电力开关器件参数，仅用于低功率系统；

2.2.4.4.2谐波电压和无功的补偿---抑制谐波电压时，通过合理反馈，间接补偿无功功率。亦仅用于低功率系统，且少用；

2.2.4.4.3谐波电压和谐波电流的补偿---采用串并联结构，有利于网侧和用户端同时解决谐波问题；

2.2.4.4.4谐波电压、谐波电流和无功的补偿---亦需采用串并联结构有源电力滤波器，结构、控制复杂，尚在研究、开发中。

图4APF与电网的连接方式

a) 并联型b) 串联型c) 串并混合型d) 串有源与无源混合型e) 并有源与无源混合型f)有源与并无源串混型

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。