谐波危害和抑制

摘要：非线性负载的大量应用给电网带来了严重的谐波污染，并由此产生了一系列电能质量问题，而各种敏感负载对电网的供电质量又提出了更高的要求。无源电力滤波器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备。

Abstract: the nonlinear load of power grid application to brought serious harmonic pollution, and produced a series of power quality problems, and all kinds of sensitive load of power grid power supply quality and to put forward higher request. Passive power filter because of its simple structure, equipment less investment, operation reliability high, low operating cost, be in the power system, the most common harmonic control equipment.

中图分类号:X503X503文献标识码：A 文章编号：

本文对无源电力滤波器的参数设计方法进行了深入的研究。详细分析各种无源电力谐波器结构和工作原理，并在其基础上对影响滤波器性能的有关参数进行了深入分析，重点研究了等值频偏、品质因数、无功补偿容量特性及系统谐波阻抗对单调谐滤波器和高通滤波器性能的影响。以此作为滤波装置设计的理论基础，为工程设计提供了理论准则。

本文通过分析滤波装置设计方案的制定策略，推导最小电容器安装容量法、无功补偿容量分配法及过电压限制法等工程设计方法设计滤波器参数的流程，并在MATLAB电力系统仿真环境下，通过仿真验证了工程设计法。

对电力系统无源滤波装置，在常规调谐滤波器的设计思路上，考虑实际滤波器受电网中的负载和自身元件特性的影响，工作在失谐状态下，采取最佳偏调谐设计的方法设计单调谐滤波器。在给定容量时，对全调谐、经验偏调谐、最佳偏调谐设计进行计算，对比结果，得出最佳偏调谐设计所得相对容量较小滤除谐波能力更好的优点。

由于交流调谐滤波器的工作原理及其缺点，针对严重影响调谐滤波器滤波效果的失谐问题和单个LC支路只能抑制单次谐波的缺陷，以及交流调谐滤波器不能实现动态补偿问题，为了对其进行改进，学习研究了多种可变电抗器。

关键词:无源电力滤波器；谐波抑制；滤波效益；失谐

1.1谐波的产生及危害

电力系统中，谐波的定义是指对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还有一系列大于基波频率的分量，这部分电量被称为谐波。近年来, 随着各种整流、换流设备、电弧炉、各种电力电子设备、非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等的大量使用，电力系统的谐波问题随着电力电子装置的广泛应用变的越来越突出。相对传统的电路和电力调节装置，电力电子装置具有高功率因数、高功率密度、高可靠性及低噪音、维护成本低等优点，这种装置提高了电能的利用率，但是其本身的非线形使得电网电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的电压和电流。谐波电压和电流的出现，严重危害了功用电网及其他系统的正常工作。

谐波的危害主要体现在以下几个方面：

（1）谐波对电网的影响

谐波电流在电网线路中会产生附加有功功率损耗。谐波电流虽然通常数值不大，但其频率较高，导线的集肤效应造成的谐波电阻较大，从而引起的附加损耗增加，降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波电流中的无功分量同时会降低电网的功率因数

（2）引起过电压和过电流

谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，这种谐振会使谐波电流放大几倍至几十倍，从而危及电容器和其他供用电设备的安全运行。严重时会将电容器和电抗器烧毁。

（3）谐波对电机的危害

谐波对旋转电机会引起附加损耗和过热。谐波电流通过定子绕组由于集肤效应会造成谐波损耗。另外，谐波电流会产生与谐波频率相对应的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流，从而在转子中产生损耗和过热现象。谐波同时会引起机械振动，对电机也有很大的危害。其中，正负序的谐波电流在电动机中会产生N倍基频的谐波转矩，它的平均转矩虽然可以忽略，但其产生的脉动转矩会引起电机的机械振动和噪音谐波对变压器的影响主要是发生谐振时，电流过大，铁心严重饱和，可危及变压器的安全。谐波电流流过变压器，还会增加其铜耗和铁耗。

（4）谐波对电缆线路绝缘的影响

对电缆线路，非正弦，电压使绝缘老化加速，泄漏电流加大，当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。

（5）谐波对继电保护和电力测量的影响

许多电能仪表和继电保护设备是针对正弦波及其过零点校验设计的，谐波容易引起继电保护和自动装置误动作或拒绝动作。不同类型的继电器设计性能和工作原理不同，故谐波的影响有较大差别。谐波对大多数继电器的影响并不大，但对部分晶体管型继电器可能有很大影响。在存在谐波的情况下，由于没有统一的表征功率的定义，同一仪表对同一电气量进行测量时，按照不同定义所的得的结果可能会相差20%~30%。另外，对于采用平均值测量法的仪表，由于需要按正弦波转换成有效值，当存在谐波时，结果有误差。

（6）谐波对通信系统的干扰

谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低通信的清晰度，干扰严重时会引起通信信号的丢失。在谐波和基波共同作用下引起的电话铃响，甚至会危及设备和人身安全。

（7）谐波对整流装置的影响

高次谐波对脉冲――相位控制的可控硅（晶闸管）整流装置有较大影响，可能造成脉冲丢失而烧坏可控硅管。

1.3谐波的抑制

要解决配电系统的谐波和无功补偿问题必须综合考虑滤波和补偿这两方面的因素，能满足要求的实现方法有很多，经过学习比较，这里主要研究两种常见的滤波装置。一种是无源滤波器；一种是有源滤波器。

1、无源滤波器

无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器，电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。

无源滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做的很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素；维护方便；造价低，运行费用也低；对某一次高次谐波的吸收效果明显；设计制造经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。

无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点：

(1)只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。

(2)滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。

(3)当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。

(4)当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。

(5)装置体积大，损耗大。

(6)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。

基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。

2、有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有：

(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

(3)即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿用。

(4)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。

(5)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

(6)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。

但目前国内的有源滤波器还处于研发阶段技术还不够成熟，应用的有源滤波器大都是国外进口产品，如ABB公司，价格昂贵，只有少数的工厂和企业在用。因此在这里选用无源滤波装置。

从工作原理来看，滤波装置可分为两类。一类为有源滤波器，即该滤波器本身为一谐波源，其发生的谐波与负荷产生的谐波大小相等，但方向相反，正好抵消了负荷产生的谐波，从而达到消除谐波的目的。这类滤波器目前仅有小容量的装置投人使用，尚须进一步研究。另外一类是无源滤波器，它是采用电容、电感谐振的原理来达到“吸收”谐波的目的。由于其中有电容器，所以可以实现滤波兼并补双重作用。

无源电力滤波器以其结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低等优点，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备。

参考文献：

（1） 胡治国, 张静, 何银永. 带谐波的无功补偿系统[J] 东北电力技术; 2005, (6) 19～21 （2） 徐金亮低压变频器的谐波治理和无功功率补偿[A] 电力电容器、无功补偿技术论文集[C], 654 内蒙古石油化工2006.

（3）王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.机械工业出版社,1999:1-49 138-162

（4）吴竞昌,孙树勤,宋文南等.电力系统谐波.北京:水利电力出版社，1998