電力諧波抑制與無源電力濾波的設計應用

1、電力諧波抑制與無源電力濾波的設計應用摘要：文章討論電力諧波的產生與危害、電力諧波管制標準與電力諧波治理措施。較為全面地介紹無功補償電容器導致的諧波共振及其抑制措施、串聯(lián)電抗器的應用、無源電力濾波器的原理與設計應用等技術。 一 引 言 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，不斷有新的電力電子裝置和其他非線性負荷(又稱為畸變負荷)接入電網，電網諧波水平逐年升高。電力諧波導致的各種問題日益突出，已受到供用電雙方的高度重視。對電力諧波進行治理刻不容緩。 用串聯(lián)電抗器抑制無功補償電容器導致的諧波共振與放大，用無源電力濾波器抑制電力諧波等技術措施具有技術成熟、簡單有效、價格較低等優(yōu)點，已得到日益廣泛的應用，是治理電力諧波的

2、有效措施。 信息來源: 二 電力諧波的產生與危害 電力諧波主要由非線性負荷產生。非線性負荷吸收的電流與端電壓不成線性關系，結果電流發(fā)生波形畸變且導致端電壓波形畸變。這種周期性的畸變波形可按基頻(50Hz)展開成傅里葉級數形式，其大于基頻的分量即為諧波。圖1為一實測畸變電流波形，圖2為畸變波形的諧波分析示意圖。 產生電力諧波的設備非常廣泛，主要有變頻調速器、直流調速系統(tǒng)、整流設備、中高頻感應加熱設備、晶閘管溫控加熱設備、焊接設備、電弧爐、電力機車、不間斷電源、計算機、通訊設備、音像設備、充電器、變頻空調、晶閘管調光設備、電子節(jié)能燈等。 信息來自:輸配電設備網 諧波的危害主要包括以下幾個方面： (

3、1)增加電力設施負荷，降低系統(tǒng)功率因數，降低發(fā)電、輸電及用電設備的有效容量和效率; (2)引起無功補償電容器諧振和諧波放大，導致電容器因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行; (3)產生脈動轉矩致使電動機振動，影響產品質量和電機壽命; 信息請登陸:輸配電設備網 (4)由于渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱; (5)增加絕緣介質的電場強度，降低設備使用壽命; (6)零序諧波電流導致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角接法的變壓器繞組內產生環(huán)流; (7)引起繼電保護設施的誤動作，造成繼電保護等自動裝置工作紊亂; 信息來自:輸配電設備網 (8)改變電壓或電流的變化率和峰值，延

4、緩電弧熄滅，影響斷路器的分斷容量; 信息來源: (9)使計量儀表特別是感應式電能表產生計量誤差; (10)干擾鄰近的電力電子設備、工業(yè)控制設備和通訊設備，影響設備的正常運行。 三 電力諧波管制標準 為了保證電網和用電設備的安全、穩(wěn)定、經濟運行，目前許多國家、國際組織以及一些大電力公司都制定了相應的諧波標準。如關于公用電網諧波限制的IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993，關于用電設備諧波電流排放限制的IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z 17625.1-2003、GB/Z 17625.6-2003等等。 雖然各諧波標準都不盡相同，但都是大同小異，且

5、所有標準的都是基于以下三個目的： (1)將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制到系統(tǒng)及其所接設備能夠允許的水平; (2)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電; (3)不干擾其它系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作。 GB/T14549-1993電能質量公用電網諧波是現行電力諧波監(jiān)督管理的國家標準。除要求電網各級電壓的諧波水平不超出國標限值外，要求用戶注入公用電網的諧波電流不超出國標允許值。否則應采取治理措施。 四 治理電力諧波的方法 諧波治理措施主要有三種：一是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，通過改進用電設備，使其不產生或少產生諧波;二是受端治理，即從受到諧波影響的設備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力;三是

6、被動治理，即通過安裝電力濾波器，阻止諧波源產生的諧波注入電網，或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流人負載端。 由于諧波源的廣泛性和復雜性，主動治理方法受設備結構、效率、成本、可靠性等因素影響，只能解決部分問題，受端治理方法和被動治理方法仍是目前治理電力諧波問題的主要方法。例如通過串聯(lián)失諧電抗器抑制無功補償電容器導致的諧波共振放大，通過在系統(tǒng)中安裝無源電力濾波器和有源電力濾波器進行濾波等等。 1.諧波共振抑制與串聯(lián)電抗器的應用 1.1 無功補償電容器引起的諧波共振與放大 當系統(tǒng)中含有諧波時，無功補償電容器會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大。圖3為補償電容器引起5次諧波共振的實例。 圖4為補償電容器與電網

7、阻抗并聯(lián)諧振的諧波等效電路。其中C為補償電容器容量， Ls和rs分別為電網等效電抗和等效電阻， Ilf和Ilh分別為負載的基波電流和諧波電流強度，Isf和Ish分別為網側的基波電流和諧波電流強度，Us為電網諧波電壓。 信息來自: 定義網側諧波電流Ish與負載諧波電流Ilh之比Ish/Ilh為諧波放大因子，則Ish/Ilh與諧波頻率的關系如圖5所示，共振頻率f0由(1)式確定： 信息來自: 作為典型參考值，假定配電變壓器短路阻抗為6%，補償容量為變壓器額定容量的50%(或30%)，若忽略高壓線路的短路阻抗，則諧振頻率f0約為288Hz(或372Hz)。計入高壓線路短路阻抗后f0還會略低一些。因此

8、，如果負載電流中含有5次、7次等諧波分量，則會被顯著放大。 1.2串聯(lián)電抗器的作用 解決補償電容器引起諧波放大問題的有效方法是在電容器支路中串聯(lián)適當電抗器。如圖6所示。 信息請登陸:輸配電設備網 串聯(lián)電抗器L后，系統(tǒng)并聯(lián)諧振頻率f0向低頻方向移動，由(2)式確定。同時L與C構成一串聯(lián)諧振支路，諧振頻率f1由(3)式確定。 定義電抗率為串聯(lián)電抗器的基波感抗與電容器基波容抗的比，令電抗率由0逐次增大1%，可得到一組諧波放大因子Ish/Ilh隨諧波頻率的變化曲線，如圖7所示。 隨著電抗率的增加，并聯(lián)諧振頻率f0向低頻方向移動。當頻率高于串聯(lián)諧振頻率f1時， Ish/Ilh總是小于1的，即頻率高于的諧

9、波f1的諧波不會被放大。因此只要針對系統(tǒng)中的最低次諧波頻率，選擇適當的電抗率，使諧振頻率f0和f1低于主要諧波頻率，即可避免諧波放大問題。 信息來源: 在f1附近，Ish/Ilh取得極小值，說明該頻率附近的諧波得到較大抑制，這是由于L與C串聯(lián)諧振，對諧振頻率的諧波呈現極小阻抗，將諧波分流的結果。 信息來源: 1.3 串聯(lián)電抗器的分類 信息來源: 在實際應用中，串聯(lián)電抗器可分為三類： 信息來源: 第一類稱作抗涌流電抗器，主要用途是限制電容器投入系統(tǒng)時的涌流，其電抗率一般小于1%。這類電抗器對抑制諧波放大一般沒有正面作用。 第二類稱作失諧電抗器或消諧電抗器，主要用于抑制無功補償電容器引起的諧波放大

10、。當用于抑制5次以上諧波放大時，電抗率通常取6%或7%;抑制3次以上諧波放大時電抗率通常取14%左右。其共同特征是電抗器與電容器的串聯(lián)諧振頻率f1明顯低于最低次主要諧波頻率。例如電抗率為6%時，f1約為204Hz，明顯低于5次諧波頻率250Hz。 第三類稱作調諧電抗器或濾波電抗器，既可抑制無功補償電容器引起的諧波放大，又具有較強的諧波電流分流作用或濾波作用。其特征是電抗器與電容器的串聯(lián)諧振頻率f1略低于欲濾除的主要諧波頻率，因此對欲濾除諧波呈現較低阻抗，以產生足夠的諧波分流效果。例如用于濾除5次諧波時，電抗率一般取4%-5%，對應f1在250Hz-224Hz之間。 圖8為針對5次諧波串聯(lián)失諧電

11、抗器的電容器組特性，其主要特點為： 1)主要作用是抑制諧波放大與共振，諧波分流作用較小; 2)補償電容器支路中諧波電流較小; 3)對電容器、電抗器精度要求較低; 4)可采用普通并聯(lián)補償電容器。 圖9為針對5次諧波串聯(lián)調諧電抗器的電容器組特性，其主要特點為：1)具有抑制諧波放大共振和諧波分流(濾波)雙重作用;2)補償電容器支路中諧波電流較大;3)對電容器、電抗器精度要求較高;4)需采用交流濾波電容器。 調諧電容器支路已構成最簡單的無源電力濾波器。 1.4 串聯(lián)電抗器的設計選用 當負荷諧波含量很低(母線電壓諧波含量不大于1%)時可不用串聯(lián)電抗器或僅采用1%以下抗涌流串聯(lián)電抗器; 當母線電壓諧波含量

12、小于5%，且無諧波電流抑制、濾波需求時，可采用串聯(lián)失諧電抗器。3次諧波電壓含量低于0.5%時可采用6%或7%電抗器;3次諧波電壓含量高于0.5%時應采用13%以上電抗器。 信息來源: 當負載諧波較重或有濾波需求時，應采用調諧電抗器、無源濾波器或有源濾波器。當采用調諧電抗器時，電容器亦應采用濾波電容器。 采用調諧電抗器或無源濾波器時，通常需要較為復雜的測試與設計，方可取得良好效果，并需要進行安全運行校驗，以保證設備安全運行。 且串聯(lián)電抗器后，電容器工作電壓和無功輸出均增加，增加量等于串聯(lián)電抗器比重。 2. 無源電力濾波器 2.1無源電力濾波器的基本構造與工作原理圖10和圖11分別為無源電力濾波器

13、的主回路原理圖及其諧波等效電路。由濾波電容器和電抗器串聯(lián)構成一個或多個串聯(lián)諧振濾波支路，分別諧振于需濾除的主要諧波頻率，各濾波支路均與諧波負載并聯(lián)，對負載諧波電流構成分流支路。 假定負載諧波電流和網側諧波電流分別為Ilh和Ish，電網諧波電壓為Ush，電網諧波等效阻抗和濾波器諧波阻抗分別為Zsh和Zfh，由無源電力濾波器的諧波等效電路可得描述其濾波特性的方程： 在對諧波頻率串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波支路對諧波電流呈現很低的阻抗，通常顯著低于電網對諧波的等效阻抗，因此大部分諧波電流將被濾波器分流而不再流入電網，使Ish顯著小于Ilh，從而得到良好的濾波效果。電網中的諧波電壓也會在無源濾波器中產生諧波電

14、流，需在濾波器設計時將此部分電流控制在較低水平。 對于工頻基波電壓而言，無源濾波器等效為一個電容器，可補償負載所需無功功率。 通常，1個調諧支路只能濾除單一頻率的諧波，當需要濾除多種諧波時需要采用多個調諧支路，分別調諧與不同諧波頻率。圖12時采用三個調諧支路分別調諧于5次、7次和11次諧波頻率時所獲得的濾波特性。 信息來源: 上述由電抗器與電容器串聯(lián)諧振所構成的無源濾波支路稱作單調諧濾波器，是最簡單也是最常用的無源濾波支路。除此之外，還有許多其它類型的無源濾波支路，如圖13所示。 2.2 影響無源濾波器效果的主要因素 無源電力濾波器的工作原理是低阻抗并聯(lián)分流，是被動濾波。由(4)式可以看出，無

15、源電力濾波器的濾波效果是由濾波器的諧波阻抗和電網諧波阻抗共同決定的。對同一個無源濾波器而言，當電網內阻抗較小時濾波效果變差，如圖14所示;對于相同的電網諧波阻抗而言，濾波器容量較小時，其諧波阻抗增加，濾波效果變差，如圖15所示。 2.3無源電力濾波器濾波效果實例 信息來源: 圖16為某企業(yè)無源電力濾波器濾波效果實測結果。由于該諧波負荷11次以上高次諧波含量豐富，濾波器設計充分考慮了對高次諧波的濾除效果。實測結果表明，濾波器對諧波電流的總濾除率在60%以上，濾波器投入前母排電壓諧波含量高達8.2%，濾波器投入后降為4.3%，達到國家標準要求。 2.4無源電力濾波器系統(tǒng)構成 信息來自: 圖17為典

16、型無源電力濾波器系統(tǒng)圖。系統(tǒng)由無源濾波支路、投切控制開關、保護元件、系統(tǒng)控制器等部分構成。投切開關可以采用機械開關，也可以采用晶閘管固態(tài)開關，主要視投切頻繁程度而定。 2.5無源電力濾波器的設計選用設計選用無源電力濾波器需注意以下幾個方面： 信息請登陸:輸配電設備網 (1)濾波器的額定電壓等級和基波頻率要與系統(tǒng)一致; (2)確認系統(tǒng)中有無中線諧波濾波需求，有則選用3相4線系統(tǒng);無則選用3相3線系統(tǒng); (3)無源濾波器的基波無功容量應符合系統(tǒng)無功補償需求; (4)濾波支路需根據系統(tǒng)諧波頻譜進行設計或選用，必須從系統(tǒng)中最低次主要諧波開始;常用無源濾波器支路組合：無3次諧波時：5次，5次+7次，5次

17、+7次+11次;有3次諧波時：3次，3次+5次，3次+5次+7次; (5)濾波器各支路分流的諧波電流強度不得超過該濾波支路的諧波電流額定值; (6)要根據系統(tǒng)阻抗和諧波電壓含量進行濾波效果校驗和安全運行校驗。 (7)無源電力濾波器一般不可與常規(guī)無功補償電容器并聯(lián)運行，否則仍會導致諧波放大，如圖18。 信息來自:輸配電設備網 2.6 濾波電容器安全運行校驗 設計選用無源電力濾波器時，必須對濾波電容器進行安全運行校驗，以確保電容器的安全運行。安全運行校驗的基本原則是，電容器的實際工作電壓和實際工作電流，在最壞情況下均不得超過電容器的額定值，并應留有適當安全余量。電容器的實際工作電壓和實際工作電流可按下式計算： 其中：為串聯(lián)電抗率;為工頻角頻率;h為諧波次數;US為系統(tǒng)電壓;ICf和ICh分別為流過電容器的基波電流和h次諧波電流 3.無源電力濾波器與有源電力濾波器的對比 無源電力濾波器具有結構簡單、造價低等優(yōu)點得到廣泛應用，但無源濾波器的濾波效果并不理想。在許多場合，由于各種因素的制約，采用無源濾波器后，諧波水平仍達不到相關標準要求。設計不良的無源濾波器還可能在濾除某些頻率諧波的同時導致另外一些頻率的諧波被放大。有源電