谐波抑制的方法及其特点

电力系统谐波抑制方法及其特点分析

随着电力电子技术的发展，接入电网的整流、换流设备和其他各种非线性负荷设备日益增加，这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，危及电力设备、用户设备和电力系统的安全运行。必须采取措施，抓紧治理，抑制电力系统谐波，把电网中的谐波含量控制在允许范围之内[1]。

电力系统谐波抑制是改善电能质量、净化电网的一个重要方面。对谐波抑制的方法主要有三种途径:第一种是在谐波源上采取措施，从改进电力电子装置入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是最大限度地避免谐波的产生；第二种是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。这类方法属于对已产生的谐波进行有效抑制的方法;第三种就是改善供电环境[2]。

1、降低谐波源的谐波含量

降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用，并避免因加装消谐装置而引发的其它负面影响。具体方法有:

1.1 增加换流装置的脉动数

换流装置是电网中的主要谐波源之一，其产生的谐波主要集中在特征谐波，非特征谐波含量通常很少，特征频谱为:n=kp士1，则可知脉动数p增加，n也相应增大，而工n、工l/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。例如:当脉动数由6增加到12时，可有效的消除幅值较大的低频项，从而使谐波电流的有效值大大降低。

1.2 利用脉宽调制(PWM)技术

PWM技术，就是在所需的频率周期内，通过半导体器件的导通和关断把直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，可达到抑制谐波的目的。若要消除某次特定谐波，可在控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性，根据输出波形的傅里叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，组成非线性超越方程组计算各个开关通断时刻，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。PwM技术的优点是在载波频率高时，输出中所含低次谐波分量很小，从而提供了功率因数。目前被采用的PWM技术有最优脉宽调制(OPWM)、改进正弦脉宽调制、△调制、跟踪型PWM和自适应PWM控制等。

1.3 三相整流变压器采用Y，d(Y/△)或D，y(△/Y)的接线方式

这种接线方式可抑制3的倍数次的高次谐波，也可作为隔离变压器使用。以△/Y形接线方式为例:当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通(三相相位一致)，而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势，从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致，只能在三角形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势，不致使谐波注入公共电网。作为隔离变压器使用时，可使3N次谐波电流与配电系统相隔离。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波。

1.4 采用多电平变流技术

也称整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而

得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。该方法用于桥式整流电路中，不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值。如果把上述方法与PWM 技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。

1.5 限制整流设备的容量

系统短路容量与所供电的整流器容量之比称为短路比，一般而一言，短路比愈大，允许注入的谐波电流越大。因此，在进行报装审批时，应该根据系统短路容量的大小来限制新接入的非线性负荷的容量。

1.6 在整流电路中串接电抗器

整流电路内部的感抗越大，则换流时间越长，电流波形变化越缓慢，因此，在整流电路中串接适当的电抗器也可以减少高次谐波电流。

2、在谐波源处吸收谐波电流

在谐波源设备已确定的情况下，在谐波源处安装滤波装置，吸收谐波电流，是防止谐波电流注入电网的有效措施。对用户侧进行谐波治理通常采取接入无源滤波器或有源滤波器。这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法，主要分为以下几种:

2.1加装无源滤波器 (PassivePowerFilter ，简称PPF)

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L 、C 、R 元件构成无源网络，吸收负载产生的谐波电流。无源滤波器分调谐滤波器与高通滤波器，前者分单调谐滤波器和双调谐滤波器，用于吸收单一次数或相邻的两次谐波，后者用于吸收某一次及以上各次谐波。无源滤波器滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。由于具有成本低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波器时目前采用的抑制谐波即无功补偿的主要手段。

滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。单调谐滤波器利用R 、L 、C 电路串联谐振构成，如下图所示。滤波器对n 次谐波阻抗为 )1(C

n L n j R Z n ωω-+=

图4-1 滤波器的接线方式

（a ）单调谐滤波器 （b ）双调谐滤波器 （c ）一阶减幅型滤波器 （d ）二阶减幅型滤波器 （e ）三阶减幅型滤波器 （f ）C 型滤波器

在谐振点处C n L n ωω1

=，谐振时的谐波次数LC

n ω1=，谐波阻抗Z=R 由于R 很小，所以n 次谐波电流主要由R 分流，很少流入电网中，而对于其他次数的谐波，谐波阻抗Z>>R ，滤波器分流很少。双调谐滤波器图4一1(b)的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，它同时吸收两种频率的谐波。与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。这种滤波器结构比较复杂，调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术经济上的优势。

高通滤波器有一阶减幅型(图4一1(c))、二阶减幅型(图4一1(d))、三阶减幅型(图4一1(e))和C 型(图4一1(f))。当频率低于其截止频率f0(f0=1/2πRC)时，由于容抗的作用，使得低次谐波电流难以通过;而当频率高于f0时，由于容抗减小，高次谐波电流便可顺利通过电容器和电阻，总的阻抗也变化不大，形成一个通频带。一阶减幅型由于基波功率损耗太大，

一般不采用；二阶减幅型的基波损耗较小，且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用的较多；三阶减幅型的基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型，用的也不太多；C 型滤波器滤波特性介于二阶和三阶之间，主要优点是C 与L 对基波串联调谐，有功功率损耗较低

低成本的无源滤波器是至今为止在滤除谐波时使用最为广泛的补偿装置，用其抑制谐波在经济上和技术上都可以接受。其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能消除特定次谐波，导致整个装置占地面积大。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器

2.2 装设静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如:电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，从而提高功率因数。另外，无功补偿装置中通过电感和电容的合理设置，可在某次频率点产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。可有效减少波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。 静止补偿装置的基本结构是由快速变化的电抗或电容元件组合而成。目前应用较多的四种是自饱和电抗器SR 、晶闸管控制电抗器、晶闸管控制高漏抗变压器和晶闸管投切电容器。自饱和电抗器SR 由负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度，当负荷发生变化时其电抗值随之发生变化，从而调节无功输出的大小:晶闸管控制电抗器TCR 通过改变控制角而改变导通时间，相当于调节电抗器电抗达到改变无功输出的目的;晶闸管控制高漏抗变压器TCT 工作原理与TCR 相同，晶闸管断开时呈高电抗特性，接通时根据控制角调节无功输出的大小，因为使用了变压器，故可以直接接入高压侧;晶闸管投切电容器TSC 的晶闸管在超前电压90度时接通并在断开前一直保持该控制角，如果电压是正弦波，则流过TSC 电流也是正弦波，故没有谐波产生，但这种TSC 不能在导通期间改变无功输出的大小。 由于TCR 和TCT 通过控制晶闸管的开通角度以调节电抗器电抗，在控制角大