电网谐波滤波技术实用性研究

陈子辉　王硕君　刘勇浩　吴智影　朱跃胜

摘要：电网谐波是当前对配电供电系统、电网设备、用电设备等危害最大的电能质量问题之一。文章对典型干扰源治理应用不同谐波治理装置的工作原理及其优缺点进行分析并结合不同应用场景，分析谐波治理中滤波技术的选择方案，对于实际工作有一定参考意义。

关键词：谐波源；有源滤波器；混合滤波器；谐波治理；电网谐波 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）34-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.036

随着技术的发展，电力电子装置与非线性用电设备广泛应用于电网与电力用户中，电网的谐波污染问题日益严重。谐波是对设备危害最大的电能质量问题之一。谐波不仅增加了设备的附加损耗，降低设备工作效率和使用寿命，而且影响继电保护和自动装置的工作和可靠性，造成计量仪器计量不准确，干扰通信系统的正常工作。为减少谐波问题的负面影响，提高电能质量，谐波治理技术和谐波治理装置应运而生。

1 谐波的危害简介

谐波定义为一个周期电气量中，频率为基波频率整倍数的正弦波分量，其来源主要有电力电子装置、中高频感应炉等非线性设备。谐波会引起电压及电流波形的畸变，严重污染电能质量。具体来说，谐波增加网损、影响设备、产生谐振，并可能会严重影响用户。

2 谐波治理措施对比

2.1 无源滤波器

无源滤波器（Passive Power Filter，PPF）一般由电容器和电抗器串联而成，利用两个元件的组合谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗回路，从而减小流向电网的谐波电流，一般用于抑制较低频率的单一谐波。PPF成本低、技术成熟，但由于谐振频率依赖于元件参数，只能对特定谐波进行滤波，且可能与系统产生串/并联谐振，因此一般只用于静态补偿。

2.2 有源滤波器

有源滤波器（Active Power Filter，APF）是一种用于改善电能质量的装置，不仅能够对变化的谐波进行抑制，还能对变化的无功进行补偿。APF针对无源滤波器的缺点进行了改进，具有良好的应用前景。

有源滤波器由谐波和无功功率检测电路、产生补偿电流的逆变器这两大部分组成。前者用于谐波电流和无功等分量的检测，后者根据检测结果产生幅值相等、相位相反的谐波分量，再注入电网将其抵消，以便达到实时补偿谐波的目的。在众多有源滤波器中，电压型并联式有源滤波器的应用最为广泛。但由于有源滤波器成本较高，容量一般较小，因而限制了它的推广。

2.3 混合型滤波器

混合型滤波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）是结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点而提出的组合方案。混合型滤波器可分为三大类：并联型混合有源滤波器、串联APF混合型滤波器、串联-并联混合有源滤波器。混合型滤波器成本低廉、滤波性能优越，并有效避免了单一滤波方式的缺点，是一种非常有前景的滤波技术。

3 滤波技术的选择

3.1 无源滤波器的选择

低压电网的谐波以低频谐波为主。其特点是谐波频率较为固定，且对高频滤波没有要求，因此选择成本较低的无源滤波器便可达到预期的滤波效果。如供电公司变电站10kV母线上的铁芯设备和用户用电设备主要产生3次、5次等奇次低频谐波，针对这个问题，变电站采用无源滤波器进行谐波治理，既可以达到谐波治理效果，也可以节约成本，提高经济性。还有一些三相4线系统的用户，很多时候中性线零序电流超过标准设计电流，将会造成中性线过度发热，导致中性线熔断，严重时发生火灾。这样专用零序滤波器应运而生。

3.2 有源滤波器的选择

以上变电站10kV母线上的无源滤波技术很多时候兼有无功补偿的功能，当系统无功足够时，很有可能就不需要投上无源滤波器，这时电网就会经受谐波的危害。如果这时母线上的用户各自谐波源的谐波含量都不超国家标准，供电公司就必须考虑大功率的有源滤波了。实际应用中，有源滤波器滤波效果虽然优于无源滤波器，但考虑到成本因素，其容量一般较小。因此，有源滤波器一般适用于谐波情况较为复杂的中低压、小功率的滤波场景中。

2012年，某供电公司变电站10kV 1M多台10kV电容器烧毁，经检查是由A电力用户厂内谐波源引起。对A电力用户电能质量进行专项测试，发现谐波电流含量超标，见表1：

A电力用户电气系统主要是大功率直流设备、变频器传动设备等。直流设备采用三相6脉冲整流装置，主要产生6K±1次谐波，即5、7、11、13次特征谐波等；变频器产生电力谐波，主要特征波是3、5、7、11、13等次。经在线监测，这些设备都是运行中无功功率和有功功率变化不稳定。电力用户未来5～10年用电容量增长不大，目前容量列表见表2：

A电力用户为更有效地提高配电系统电能质量，考虑直接在配电系统低压端对谐波干扰源设备应用有源滤波技术，滤波效果非常明显，谐波含量达到国家标准。

一般来说，一些大功率的变频设备和中频电源，应用无源滤波器滤波效果也欠佳，一般也考虑有源滤波器。如B电力用户厂房装有多台采用可控硅中频电源的大功率电加热设备和数控车床，运行负荷变化大，有功功率和无功功率变化不稳定，容易产生大量谐波，严重污染电能质量，并影响到了电网配网设备的正常使用。经深入分析研究，该B电力用户厂房的2#变低压支路总谐波畸变率超标，注入母线的5、7、11次谐波电流含量较高，同时，由于负荷变化大，因此考虑加装有源滤波器治理。根据谐波电流大小及变压器容量，采用两台200A的有源滤波器。安装后测试，原先超标的5次谐波电流从22.5%下降到1.5%。有源滤波器投入运行后，谐波电流明显减小，有效地保证了供电系统的安全运行。

3.3 混合型滤波器的选择

大多数情况下，电网中的谐波除了一些特定次数的谐波之外，还存在不断不规则变化的谐波。而单独使用无源或有源滤波器均有不适用之处，在这种情况下，混合型滤波器就能发挥其优势，达到很好的滤波效果。在有些供电容量较大的电源母线上，带有多台变压器，并且每台变压器负荷容量大小不同，变化也不同，单独使用有源滤波效果不明显，必须考虑混合式滤波器。

在上述采用滤波技术的例子中，无源滤波器虽然能起到一定的滤波作用，但由于其固定的元件参数，滤波器容易与电网发生谐振，影响滤波效果。因此，在无源滤波器的基础上加入有源滤波器，组成混合滤波器来对谐波进行治理。其中：无源滤波器包括3次、5次等单调谐波滤波器、专用零序滤波器、高通滤波器；有源滤波器环节主要起到提高无源滤波器滤波效果、抑制电源电压畸变产生谐波电流以及抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能产生的串/并联谐振的作用。通过对系统及滤波装置的仿真与实际应用，绝大部分谐波电流被滤除，补偿后的系统电流和电压波形也得到极大改善。还有在配电系统中，配电变压器高压端和低压端滤波效果不一样，在高压端滤波效果比在低压端滤波效果更好，但高压端滤波费用将会更高。

4 结语

谐波无论对电网设备还是电力用户都会造成危害，目前针对谐波的治理措施也有多种选择。本文结合案例，说明了在滤波装置的选择上，应该认真分析引发谐波产生的因素，根据实际的电网情况及谐波情况，并同时考虑经济性，合理对谐波治理装置进行选择，以此提高供电的安全性、可靠性以及稳定性，确保电网的长期稳定运行。

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作者简介：陈子辉（1976-），男，广东江门人，广东电网有限责任公司江门供电局高级工程师，研究方向：电力管理。

（责任编辑：蒋建华）