基于高通滤波器的谐波分析及抑制方法研究

魏玉红

（青海省工业技师学院，青海 西宁 810021）

0 引言

近年来，随着电力电子制造工艺的元件不断完善和发展，大功率整流和逆变装置被广泛的应用于工业领域，比较典型的应用包括变频器、全波整流装置和直流弧焊机等多种电气设备。作为电解电容器阳极的铝化成箔制造厂，受制造工艺和产能的限制，单条生产线多采用五级化成模式，每级化成电解槽供电电源分别采用直流大功率整流装置，单条生产线使用5台大功率三相桥式整流装置，由一台五绕组整流变压器提供交流电源，整流变容量3000KVA，五级供电电压分别为F1:170V F2:329V F3:420V F4:450V F5:490V。一次侧10k V通常一个车间设置30条生产线。最大运行工况：150台整流装置同时运行，最小工况5台整流装置运行。如此众多的非线性电源同时运行，极易产生高次谐波及其适量叠加现象，对工厂电网及上级电网带来了极大的隐患，电压突变，绝缘薄弱环节击穿时有发生，消除谐波隐患成为迫在眉睫的任务[1]。

1 谐波测试及分析

被测试车间10k V系统主接线图如图1所示，该车间为三组10k V电源进线，为便于生产组织和静电电容补偿投切，每组进线均采用均采用单母分段运行，Ⅰ、Ⅱ段母线间设母联开关，其中Ⅰ段母线4回生产负荷出线，1回动力负荷出线，1回静电电容补偿出线，1回母联出线，供电容量为12000k VA。Ⅱ段母线6回生产负荷出线，供电容量为18000k VA。

图1 10KV系统主接线图

1.1 谐波测试方案

（1）选取单台整流变负载运行情况，其他9台整流变均停运；目的：了解单套整流装置固有谐波分量情况。

（2）选取10k VⅠ段负载运行（4台整流变）情况，其他6台整流变均停运；目的：了解4套整流装置并列运行时谐波分量矢量叠加情况。

（3）计算10k VⅡ段负载运行（6台整流变）情况；

（4）测试点选取：1单台整流装置满载运行时，测试点选择出线断路器负载侧；四套整流装置并列满载运行时，测试点选择在10k VⅠ段母线；

（5）测试方法：采用KN-615电能质量在线监测仪，笔记本电脑后台数据存储，电压信号引自10k VⅠ段母线进线柜PT二次试验端子；电流信号引自CT二次端子，其中接入电能质量分析仪的电压信号采用并联连接，电流信号串联连接

（6）测试内容：一般情况下谐波测试的次数多为2至19次谐波，本次测试，由于负载侧为多台整流变压器并联与母线，且均为等效6脉拍设计，同期负载运行为其基本运行方式，理论上分析，单台负载运行谐波分量一般不超标，多台同时运行时，高次谐波矢量叠加后超标，为了准确分析特征谐波量的变化规律，测试至25次谐波[2]。

1.2 测试数据及分析

（1）单台整流变负载运行情况：

①实测数据（见表1）。表1中所列谐波国标限值为当基准短路容量为100MVA时，计算所得的国标限值。

表1 单台整流变负载运行谐波测试 （单位：A）

②实测数据分析。单台整流变负载运行时，由于整流装置采用6脉拍设计，整流变二次绕组为同心式绕组，彼此间隔15°电角度，经五组整流装置整流后直流电压作为负荷工作电压，所产生的谐波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次谐波。但满足国标限制条件，符合电网绿色运行标准[3]。

（2）10k VⅠ段负载运行（4台整流变负载运行）情况：

①实测数据（见表2）。表2中所列谐波国标限值为当基准短路容量为100MVA时，计算所得的国标限值。

表2 四台整流变负载运行情况谐波测试 （单位：A）

②实测数据分析。从表2中数据可以看出，4台整流变同时负载运行时，10KV母线5次、11次、14次、20次、25次谐波超标，对照单台整流变负载运行谐波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次谐波检测结果来看，谐波分量适量叠加现象明显，5次、14次、25次谐波直接叠加，11次、19次、20次、23次谐波随机叠加。

产生这种现象的原因是：

①整流变压器绕组结构基本一致，二次绕组相隔电角度一致，整流设备工作方式、额定电流一致，存在着设备固有谐波发生机理造成部分谐波直接叠加。

②每条生产线制造的铝电解电容器阳极箔耐压等级不同，五级化成槽所加电电压不同，对应整流装置输出功率不一致，桥式全波整流电路导通角θ大小不等，设备负载率不一致，导致存在谐波随机叠加的现象，11次、19次、20次、23次谐波随机叠加现象明显[4]。

1.3 谐波测试结论

（1）国标GB14549．93《电能质量公用电网谐波》明确了谐波电压允许值，对比实测数据可知：多台整流变同时负载运行时，由于存在叠加现象，谐波超标，集中在5次、11次、14次、20次、25次，当系统处于最大运行方式时，谐波将严重超标，危及到系统的正常运行。

（2）整流装置是该系统的主要谐波源。在设备设计阶段已充分考虑谐波影响，整流装置采用六脉拍形式，整流变压器二次绕组采用移相设计，较好地解决了单台运行时谐波的超限，但由于多台同时运行，导致谐波超标。

（3）实测数据与理论分析数据是一致的。

（4）在整流变压器正常工况运行条件下，负载及所产生的的谐波分量及其变化率均较稳定。

2 谐波抑制措施

2.1 系统谐波抑制措施的选择

鉴于本系统整流装置已采用移相措施，整流变二次绕组设计时彼此相差15º电角度，且整流装置已采用6脉拍多重化结构，系统存在的谐波为多套整流设备同时工作情况下的叠加所致（单台测试数据可表明）；也就是说，在受端治理与主动治理条件下，无法避免谐波的产生和叠加，需采用被动治理手段方可完成谐波的抑制。

根据系统谐波特征研究结论，综合经济性和可靠性原则，采用无源滤波技术，即在每段母线上设计一套动态补偿滤波装置，集中治理母线上的各次谐波。

根据系统中实测谐波含量的情况，设置2个补偿滤波支路，分别是5次兼高通滤波支路，11次兼高通滤波支路。滤波支路采用偏调谐滤波技术，用于针对某次及以上各次的谐波治理。其中5次兼高通滤波支路的作用是抑制5次及以上谐波，并防止高次滤波支路对7次等谐波进行放大，影响滤波效果。11次兼高通滤波支路的作用是滤除11次及以上的各次谐波，减少高次谐波对用电设备的影响。

2.2 滤波支路设计

（1）滤波支路的基本原理。图2（a）为滤波支路的基本电路原理图，图2（b）为滤波支路的阻抗—频率特性。

图2 （a）滤波支路的基本电路原理图 （b）滤波支路的阻抗—频率特性

（2）滤波支路传递函数与特性参数。

滤波支路传递函数为：

特性参数

式（1）中：UR——滤波支路等效阻抗端电压；U——滤波支路电压；S——滤波支路视在功率；——滤波支路基波角频率；R——滤波支路等效阻抗；C——滤波支路等效容抗；L——滤波支路等效感抗

（3）阻抗—频率特性。

滤波支路在n次谐波下的阻抗及其模值，简化后可得

图2（b）为滤波支路的阻抗—频率特性。通过对标出了的阻抗-频率曲线的拐点研究可得出下面的结论（见图2（b））：

①在点O～A之间，是一个低阻区间；

②C点是电压谐振点，此点分界出了容性阻抗感性阻抗区间；

③当Q≥3时，B和C点很接近于O点；

式（2）、（3）中：Zn——滤波支路在n次谐波下的阻抗；|Zn|——滤波支路在n次谐波下的模值；Q——滤波支路在n次谐波下的无功功率；n0——滤波支路基波；

表3 滤波支路特殊点谐波次数与阻抗关系

（4）滤波支路参数选择与计算方法。

①的选择应使单频调谐滤波器之外的谐波进入高通滤波器的通带。

②选Q值为3至4之间为佳，Q值不宜太高，否则有功损耗的显著增加影响。滤波效果；Q值也不宜太低，否则C点将远离O点，即通带内容性阻抗范围变宽，这可能与母线上其它感性负载发生并联谐振而危及设备安全。尤其重要的是取Q=3～4时，可使n A=2左右，利用nO～nA之间的低阻特性可以兼顾诸如2.5次、3.5次等谐波的抑制。

滤波支路的参数可用下式计算：

对于基波，满足R＞＞ωL，则：

③滤波支路参数确定。

表4 母线在4台整流变运行时负荷数据

根据表5数据，按6台整流变全部工作时，母线上的有功功率按单台的六倍计算约8220KW，功率因数由0.78提高到到0.92，基波补偿容量需要3100kvar的。本次设计滤波支路，考虑系统中谐波的含量，以及该母线电压一般运行在10.5KV左右，因此电容器采用额定电压为的并联滤波电容器。

表5 4台整流变分别单台运行时的负荷数据

5次兼高通滤波支路的基波补偿容量2100kvar，11次兼高通滤波支路的基波补偿容量1000kvar。通过计算，5次兼高通滤波支路的电容器安装容量为3000kvar时，基波输出容量2205kvar，滤波容量67A。11次兼高通滤波支路的电容器安装容量1500kvar，基波输出容量1067kvar，滤波容量39A。

根据上述参数设计补偿滤波支路，可以满足该系统下的各种补偿滤波要求。考虑该段母线中生产线运行情况，配套一台容量为1800kvar的磁控式可调电抗器，实现无功功率在3200-1400kvar之间连续可调，能满足该供电母线2-6台整流变同时运行时的无功补偿调节需求，即使补偿滤波支路不做投切，也可实时稳定功率因数在0.92以上，且不会出现过补的情况[5]。实际滤波支路原理图如图3所示。

图3 滤波支路原理图

3 谐波抑制效果仿真

按图3示滤波支路原理图，利用PSIM电力电子仿真软件，用其强大的元件库，构筑仿真原理，选择参数运行滤波器分析程序。如图1所示，在10KVⅠ段母线上并联5次兼高通滤波支路和11次兼高通滤波支路，同时并联一个磁控式可调电抗器支路，使无功功率在3200-1400kvar之间连续自动可调。

3.1 仿真电路主要参数

（1）仿真回路工作频率：50Hz；

（2）仿真节点分别选自三个支路母线连接点；系统基准电压根据现场实际情况选定为10.5KV；

（3）滤波系统总阻抗仿真给定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（4）滤波器阻抗仿真给定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（5）谐波仿真给定值：谐波次数总数：12；Pe=1.8187MVA；Ue=10.5KV；Ie=100.0026A。

3.2 仿真数据

（1）谐波源：

（2）支路总电流：

（3）滤波器投入情况下母线电压：

4 结语

对于以多个直流电源为主要工作电源的电解电容器阳极箔生产线而言，单条生产线所产生的谐波不足以危害到电网安全，多台生产线同时运行时可谐波叠加现象严重，引发母线电压畸变，功率因数滞后，损耗加剧，严重影响电网安全和企业正常生产，尽管在设备选型时整流变压器和整流装置已采取移相和六脉拍处理，但仍无法避免谐波危害，因此，采用被动治理方式已成为必然之选。本文以具体工厂为例，通过实测谐波危害，研究谐波产生机理，因地制宜提出分别并联5次兼高通滤波器+7次兼高通滤波器+磁控电抗器治理方式，本方式抑制谐波效果明显，在不同负载率情况下有功电流可降低10—15%左右，母线电压平稳，波动幅度得到有效的改善，在多台整流装置同时运行企业推广价值巨大。