电力系统谐波问题及基于混合并联结构的治理方案

翟义德

（铜川供电局，陕西 铜川 727031）

电力系统谐波问题及基于混合并联结构的治理方案

翟义德

（铜川供电局，陕西 铜川 727031）

供电系统中非线性负荷的大量使用，对输配电带来越来越严重的负面影响。列举了电力系统中谐波产生的原因，分析了谐波对电力系统的危害，最后给出了结合无源阻抗调谐原理和有源电力电子变流技术的混合并联结构谐波治理方案。

谐波；无源滤波；有源滤波；混合滤波

近年来，各种电力电子装置在电力系统、传统工业、交通运输和家电行业的广泛应用，极大地推进了现代工业文明的发展。但同时，电力电子装置运行时会消耗大量无功功率并产生谐波电流，严重污染了电网环境且日趋严重，已引起人们对它的广泛重视。

1 电力系统谐波的成因与危害

在电力系统中，交流电压和交流电流理想状态应成正弦波形。但当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。如图1所示，用户负载为三相二极管整流器。这样，连接在同一点的其他设备上就被施加了含有谐波成分的非正弦电压。

图1 配网中谐波电流传导干扰方式

在电力电子装置大量应用之前，各种传统非线性设备主要包括电力变压器、旋转电机、电弧炉以及荧光灯管等。随着各种整流器、逆变器、斩波器、开关电源以及不间断电源等的大量使用，目前电力电子设备已经成为电力系统中首要的谐波源。

谐波会使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网、输电及用电设备使用效率，增加电网线损。额外的热效应会引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备使用寿命。谐波可能使电网与补偿电容器之间发生并联或串联谐振。谐波也会引起一些保护设备误动作，会导致电气测量仪表计量不准确，同时还会对附近的通信系统产生干扰。

2 电力系统谐波的治理方案

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，国内外业界提出多种技术方案。按照其采用的电路结构可以分为：无源滤波器、有源电力滤波器和混合电力滤波器三大类。

2.1 无源滤波技术

在电力系统中装设无源滤波器(passive power filter)一直是补偿无功、抑制谐波的主要手段。这种装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，具有多种结构，被补偿负载并联连接。它除了可滤除一定的谐波之外，还可进行无功功率补偿。

无源滤波器具有结构简单、容易实现、便于维护、既可补偿谐波又可补偿无功等优点，但其本身也存在如下缺陷：滤波器的工作原理是调谐原理，因此对电网频率和网络阻抗的变化十分敏感，滤波效果不易保证；滤波器可能会和电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统不能正常工作。由于电网中谐波的频率范围通常较宽，因此一般要设置多个无源滤波器。

2.2 有源滤波技术

有源电力滤波器(active power filter)是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。

有源电力滤波器可对频率和大小都在变化的谐波以及无功电流进行补偿，受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振。在我国，有源电力滤波器虽已进入实际工业现场，但现阶段有源电力滤波器成本还比较高，且受制于电力电子器件的电压等级，较难直接应用于中高压大容量的工业现场。

2.3 混合滤波技术

混合滤波器(hybrid power filter)技术是将无源滤波器和有源滤波器有机组合起来，其基本思想是用无源滤波器实现无功补偿功能并分担大部分的滤波功能，用有源电力滤波器来改善无源部分的滤波性能并抑制潜在的谐振现象。

混合滤波技术既有有源滤波器的优异性能，又可以显著减小有源变流器容量和整体系统的安装成本，且适合于应用在高电压等级的工业现场，因此成为实际应用的研究热点。由有源电力滤波器和无源滤波器构成的混合型电力滤波器有多种拓扑关系，其具体结构形式主要包括：LC谐振注入电路方式；并联有源电力滤波器与无源滤波器两者并联后再并联接入电网；并联有源电力滤波器与无源滤波器两者串联后再并联接入电网；串联有源电力滤波器和无源滤波器混合使用等。其中前3种混合结构为并联电力滤波器，最后1种为串联电力滤波器。

3 混合并联结构谐波治理方案研究

并联有源电力滤波器和并联无源滤波器直接并联结合而成的混合型电力滤波器方案如图2所示。在这种电路中，无源滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了较低频段的大部分滤波功能；有源电力滤波器的作用是滤除较高频段的谐波电流，并改善整个系统的性能，其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。与单独使用的并联型有源电力滤波器相比，两者有不少相似之处。

图2 混合并联结构滤波器原理

但使用这种装置时，在有源电力滤波器与无源滤波器之间存在谐波通道，有可能使有源电力滤波器注入的谐波又流入到无源滤波器及系统中。从理论上讲，只要使用LC滤波器，就存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有源电力滤波器与LC滤波器并联使用方式中，需对有源电力滤波器进行有效的控制，抑制可能发生的谐振。

4 应用案例

某小型钢铁厂使用中频炉熔化废钢料，由于中频炉工作时会产生大量无功和谐波电流，降低了用户供电变压器流入电流的功率因数和电流畸变率。未投运中频炉负载时的供电电压波形和供电变压器电流如图3所示。可以看到，此时基本没有电流，电网波形正常。

图3 负载未投运时网压与供电电流波形

中频炉负载投运后的网压与供电电流波形如图4所示。可以看到，此时负荷向电网中注入大量无功和谐波电流。其中电流谐波成分包含有以50 Hz为基波频率的低次谐波，也包含中频炉工作时内部谐振频率上的高次谐波。

图4 负载投运后网压与供电电流波形

安装混合并联结构的滤波器可对负荷产生的低次谐波进行治理，同时补偿功率因数。补偿后的网压与供电电流如图5所示。补偿前、后流入电网电流的频谱图如图6所示。

图5 补偿后网压与供电电流波形

图6 补偿前、后供电电流频谱图

从波形图中可以看出，补偿后供电电流基本与网压同相位，无功电流得到很好补偿。同时电流中的低次谐波成分得到很好滤除。频谱分析表明，供电电流的总谐波畸变率由25 %降低为7 %。负荷所引起的电能质量问题得到有效治理。

5 结语

随着非线性负荷的日益增多，电网谐波污染给输配电系统带来的负面影响越来越严重，已引起了供用双方的广泛关注。对于谐波污染问题，除了通过改造非线性负载特性之外，增设无源、有源滤波装置是主要的解决方式，有源滤波技术因其诸多优点而成为发展方向。

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2013-05-15；

2013-07-02）