諧波抑制的工程設(shè)計(jì)方法探討

1、諧波抑制的工程設(shè)計(jì)方法探討        1前言隨著大功率半導(dǎo)體電力變流器、變頻器等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，愈來(lái)愈多的諧波電流被注入了電網(wǎng)，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后，且諧波的消極影響越來(lái)越嚴(yán)重，因此，如何有效地抑制諧波是電力設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 2諧波的危害 （1）增加了無(wú)功功率消耗和銅損 在電流波形畸變的情況下，電力系統(tǒng)的視在功率應(yīng)為： S2=P2Q2T2(1) 式中：S為視在功率； P為有功功率； Q為無(wú)功功率； T為畸變功率。 由于諧波電壓和電流的頻率不同，其相角差隨頻率差作周期性

2、變化，累計(jì)的功率之和為零，所以畸變功率具有無(wú)功功率性質(zhì)。 諧波電流將使電力系統(tǒng)中的元件如電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動(dòng)機(jī)總損耗增加，溫升增加及效率降低。電動(dòng)機(jī)將多吸收無(wú)功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)下降。 （2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上，使電容器的總運(yùn)行電流增大，溫升提高，很容易發(fā)生過(guò)負(fù)荷以至損壞，導(dǎo)致使用壽命縮短。同時(shí)，諧波對(duì)電容器參數(shù)匹配產(chǎn)生影響，有可能在電網(wǎng)中造成高次諧波諧振，使故障加劇。 （3）由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差造成觸發(fā)角偏移 及電流、電壓變化率過(guò)高，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置、自

3、動(dòng)控制裝置的控制失靈和誤動(dòng)作，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障。 （4）持續(xù)的諧波含量過(guò)高，將加速變壓器、電動(dòng) 機(jī)、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下，特別在瞬態(tài)過(guò)程中，還可能引起諧振過(guò)電壓。 （5）諧波電壓和諧波電流通過(guò)線路間的感應(yīng)耦 合，會(huì)在通訊線路中感應(yīng)出相當(dāng)大的諧波電壓，從而對(duì)通訊線路造成干擾，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作。 3諧波的抑制措施 根據(jù)GB/T1454993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波的要求，必須對(duì)各種非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。 在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級(jí)；增加變流裝置的脈動(dòng)數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，如：盡可能保持三相負(fù)荷平衡，避免各類(lèi)電磁系統(tǒng)

4、飽和，錯(cuò)開(kāi)系統(tǒng)諧振點(diǎn)，由專門(mén)電路為諧波源負(fù)載供電等，都能減小系統(tǒng)中的諧波成份。但其中許多措施都會(huì)大大增加系統(tǒng)和設(shè)備的投資，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，設(shè)置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施，同時(shí)濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無(wú)功。 圖1高次諧波等效電路(a)接線系統(tǒng)(b)等效電路 圖2單調(diào)諧濾波器(a)結(jié)構(gòu)(b)y=f()特性 圖3高通濾波器 (a)結(jié)構(gòu)(b)阻抗頻率特性 整流器、逆變器等非線性負(fù)荷，因?yàn)槠浔旧砜梢员硎緸楫a(chǎn)生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來(lái)表示高次諧波的等效電路。 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/(ZSZL） V

5、B=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(fù)載阻抗。 該式表明，當(dāng)電網(wǎng)阻抗(ZS)一定時(shí)，相對(duì)減小系統(tǒng)負(fù)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(duì)于電力系統(tǒng)，設(shè)置諧波低阻抗的分流電路，從而減小負(fù)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(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流In，達(dá)到消除諧波的目的。 前者稱為被動(dòng)式濾波器，即常用的LC濾

6、波器；后者稱為能動(dòng)式濾波器，即有源濾波器。 4LC濾波器的設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)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=Rfnj(nXL1XC1/n)Rfn(1j2Qn)(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(shí)的感抗； Rfn為濾波器在n次諧波時(shí)的電阻； 為電網(wǎng)角頻率相對(duì)偏差。

7、 由于系統(tǒng)頻率的波動(dòng)、濾波電容器及電抗器有關(guān)參數(shù)制造時(shí)的偏差、電抗器的調(diào)節(jié)偏差，以及環(huán)境溫度和負(fù)荷的變化，濾波器的實(shí)際諧振頻率可能與其設(shè)計(jì)值不完全相同，即在偏離設(shè)計(jì)值的一定范圍內(nèi)變化。一般情況下，單調(diào)諧濾波器在Qn=1/2時(shí)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(gòu)成 由圖2(b)可知，單調(diào)諧濾波器的濾波效果與和Qn有直接關(guān)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(guò)小時(shí)，濾波效果在較大范圍內(nèi)變化不大，但效果較低，此時(shí)損耗也較大。所以，Qn和的確定要經(jīng)過(guò)多種方案比較，并兼顧各個(gè)指標(biāo)后選取。 對(duì)于高通濾波器，由于其電抗器L與電阻R并聯(lián)，有一個(gè)較低的阻

8、抗頻率范圍。當(dāng)頻率低于某一截止頻率f0（fO=1/2RC）時(shí)，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(guò)；當(dāng)頻率高于f0時(shí)，由于容抗不大，總的阻抗也變化不大，形成一個(gè)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?yàn)樵诟咄V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(wú)論是單調(diào)諧濾波器還是高通濾波器，品質(zhì)因數(shù)是標(biāo)志調(diào)諧銳度的指標(biāo)。對(duì)于高通濾波器，Qn值一般取15。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(yīng)選擇靠近要濾的主要諧波，否則其損耗將大大增加

9、。 如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構(gòu)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(guān)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)濾波器處母線電壓及短路容量，計(jì)算系統(tǒng)的諧波阻抗；電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍和濾波電容器及電抗器的調(diào)節(jié)偏差等因素構(gòu)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(jià)；電網(wǎng)已有高次諧波電壓對(duì)濾波器可能造成的過(guò)載影響；變流器負(fù)載所產(chǎn)

10、生的高次諧波量，確定濾波器的定額； (3)高次諧波抑制指標(biāo)。根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波的規(guī)定，確定各次諧波電壓畸變率和注入相應(yīng)電壓等級(jí)電網(wǎng)的諧波電流允許值。 LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸收諧波效果明顯。但由于其結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著難以克服的缺陷： (1)僅對(duì)固有頻率的諧波有較好的補(bǔ)償效果，當(dāng) 諧波成份變化時(shí)補(bǔ)償效果差； (2)補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大； (3)在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間 可能會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，使該頻率的諧波電流被放大；或者發(fā)生串聯(lián)諧振，使電網(wǎng)側(cè)可能存在的諧波電壓向LC濾波器注入較大的諧波電流； (4)當(dāng)接在電網(wǎng)中的其他諧波源未采取濾波措施時(shí)，其諧波電流可能流入

11、該濾波器，造成過(guò)載。 而有源濾波器能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的跟蹤補(bǔ)償，基本上克服了LC濾波器的上述缺點(diǎn)。 5有源濾波器的應(yīng)用 隨著功率電子器件和PWM技術(shù)的發(fā)展，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)法的提出，使有源濾波器得到迅速發(fā)展。 前述可知，LC濾波器實(shí)際上是由濾波電容器和電抗器組成的、對(duì)某些或某次諧波呈低阻抗諧振支路，濾除這些諧波。而有源濾波器與LC濾波器的最大區(qū)別在于它是一種向系統(tǒng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動(dòng)式濾波裝置。它能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率器件的高可控性和快速響應(yīng)能力

12、。 圖5有源濾波器工作原理有源濾波器的工作原理如圖5所示。 負(fù)載電流IL按傅里葉級(jí)數(shù)可展開(kāi)為： IL=Insin(ntn) =I1cos1sintI1sin1costInsin(ntn) =I1pI1qIn(5) 式中：I1p為負(fù)載基波有功電流； I1q為負(fù)載基波無(wú)功電流； In為高次諧波電流。 將濾波器并聯(lián)連接在諧波發(fā)生源和電源之間，Is=ILIF?？刂朴性礊V波器的輸出電流IF=In，電源側(cè)電流則為只含基波分量的正弦波形。即：有源濾波器產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流注入負(fù)載電流IL流經(jīng)的線路中，將負(fù)載諧波抵消，使之不流入電網(wǎng)。由式(5)可知，有源濾波器還可同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功，即使I

13、F=I1qIn，IS=I1p，從而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。 有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)由諧波電流檢測(cè)、控制電路、PWM逆變器、直流電源及注入變壓器等部分組成。根據(jù)逆變器儲(chǔ)能元件不同，可將有源濾波器分為電流型和電壓型兩種。電流型有源濾波器儲(chǔ)能元件為電感，由于其運(yùn)行損耗較大，對(duì)儲(chǔ)能電感的充電控制較復(fù)雜，因而使其應(yīng)用受到限制；電壓型有源濾波器儲(chǔ)能元件為電容，具有損耗小，易于控制等優(yōu)點(diǎn)而得到普遍應(yīng)用。電壓型有源濾波器工作過(guò)程是由電容器構(gòu)成儲(chǔ)能直流電源，逆變器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生PWM輸出電壓，將儲(chǔ)存在電容器中直流電能轉(zhuǎn)變成所需頻率和波形的補(bǔ)償電流，經(jīng)隔離變壓器注入線路中。PWM逆變器同時(shí)兼有向電抗器或電容器提供直流電

14、能的功能。這個(gè)過(guò)程直接受諧波電流補(bǔ)償量檢測(cè)及控制電路的控制。 有源濾波器具有以下特點(diǎn)： (1)該裝置是一個(gè)諧波電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng) 阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響； (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，該裝置不存在產(chǎn)生諧 振的危險(xiǎn)，不影響補(bǔ)償性能； (3)不存在過(guò)載問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)諧波電流增大超 過(guò)裝置的補(bǔ)償能力時(shí)，濾波器仍可發(fā)揮最大補(bǔ)償作用； (4)對(duì)系統(tǒng)中各次諧波均能有效抑制； (5)一臺(tái)裝置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多次諧波和基波無(wú)功電 流的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。 但是，與LC濾波器相比，有源濾波器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行損耗較大，設(shè)備造價(jià)高。由于有源濾波器本身是以開(kāi)關(guān)方式工作，在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，也會(huì)注入新的諧波，但其開(kāi)關(guān)頻率很高（達(dá)3

15、kHz以上），諧波頻率高，幅值低。 有源濾波器可用于抑制負(fù)載為周期性變化的高次諧波和LC濾波器不能抑制的部分高次諧波。表1為有源濾波器的兩種接線方式比較。 直接接入方式是有源濾波器與系統(tǒng)的基本連接方式。此時(shí)PWM逆變器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，其產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等、相位相反的諧波電流，使電源側(cè)電流被補(bǔ)償成正弦。該方式下，電源基波電壓全部加在逆變器上，因而裝置容量較大。該接線方式的濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的功能，能在補(bǔ)償諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功。 注入電路方式的有源濾波器將電抗器和電容器作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使有源濾波器不承受基波電壓，從而減小了逆變器的裝置容量，減小體積，降低成本。通過(guò)選擇注入電路常數(shù)，使逆變器的裝置容量?jī)H為直接接入方式的1/41/5，因此適于構(gòu)成高壓電路的大型濾波裝置。 有源濾波器也可與LC濾波器并聯(lián)或串聯(lián)組成混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合運(yùn)用。當(dāng)并聯(lián)使用時(shí)，LC濾波器用來(lái)分擔(dān)補(bǔ)償相同次數(shù)的諧波，補(bǔ)充有源濾波器的補(bǔ)償作用，降低所需逆變器的容量。而采用串聯(lián)方式運(yùn)用時(shí)，有源濾波器則主要不是用來(lái)直接補(bǔ)償諧波，而是用來(lái)抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大現(xiàn)象，以改善LC濾波器的補(bǔ)償效果。此時(shí)，逆變器不承受基波電壓，裝置容量小。 圖6有源濾波器原理電路圖圖6為明電舍株式會(huì)社生產(chǎn)的有源濾波器原理電路圖。該裝置可以有效濾除21