电力谐波抑制与无源电力滤波技术

会被显著放大。

1.2串联电抗器的作用

解决补偿电容器引起谐波放大问题的有效方法是在电容器支路中串联适当电抗器。 如图6所示。

串联电抗器L后，系统并联谐振频率f0向低频方向移动，由(2)式确定。同时L与C构成一串联谐振支路，谐振频率f1由(3)式确定。

定义电抗率为串联电抗器的基波感抗与电容器基波容抗的比，令电抗率由0逐次增大1%，可得到一组谐波放大因子Ish/Ilh随谐波频率的变化曲线，如图7所示。

随着电抗率的增加，并联谐振频率f0向低频方向移动。当频率高于串联谐振频率f1时， Ish/Ilh总是小于1的，即频率高于的谐波f1的谐波不会被放大。因此只要针对系统中的最低次谐波频率，选择适当的电抗率，使谐振频率f0和f1低于主要谐波频率，即可避免谐波放大问题。

在f1附近，Ish/Ilh取得极小值，说明该频率附近的谐波得到较大抑制，这是由于L与C串联谐振，对谐振频率的谐波呈现极小阻抗，将谐波分流的结果。

1.3 串联电抗器的分类

在实际应用中，串联电抗器可分为三类：

第一类称作抗涌流电抗器，主要用途是限制电容器投入系统时的涌流，其电抗率一般小于1%。这类电抗器对抑制谐波放大一般没有正面作用。

第二类称作失谐电抗器或消谐电抗器，主要用于抑制无功补偿电容器引起的谐波放大。当用于抑制5次以上谐波放大时，电抗率通常取6%或7%;抑制3次以上谐波放大时电抗率通常取14%左右。其共同特征是电抗器与电容器的串联谐振频率f1明显低于最低次主要谐波频率。例如电抗率为6%时，f1约为204Hz，明显低于5次谐波频率250Hz。

第三类称作调谐电抗器或滤波电抗器，既可抑制无功补偿电容器引起的谐波放大，又具有较强的谐波电流分流作用或滤波作用。其特征是电抗器与电容器的串联谐振频率f1略低于欲滤除的主要谐波频率，因此对欲滤除谐波呈现较低阻抗，以产生足够的谐波分流效果。例如用于滤除5次谐波时，电抗率一般取4%-5%，对应f1在250Hz-224Hz之间。

图8为针对5次谐波串联失谐电抗器的电容器组特性，其主要特点为： 1)主要作用是抑制谐波放大与共振，谐波分流作用较小; 2)补偿电容器支路中谐波电流较小; 3)对电容器、电抗器精度要求较低; 4)可采用普通并联补偿电容器。

图9为针对5次谐波串联调谐电抗器的电容器组特性，其主要特点为：1)具有抑制谐波放大共振和谐波分流(滤波)双重作用;2)补偿电容器支路中谐波电流较大;3)对电容器、电抗器精度要求较高;4)需采用交流滤波电容器。

调谐电容器支路已构成最简单的无源电力滤波器。

1.4 串联电抗器的设计选用

当负荷谐波含量很低(母线电压谐波含量不大于1%)时可不用串联电抗器或仅采用1%以下抗涌流串联电抗器;

当母线电压谐波含量小于5%，且无谐波电流抑制、滤波需求时，可采用串联失谐电抗器。3次谐波电压含量低于0.5%时可采用6%或7%电抗器;3次谐波电压含量高于0.5%时应采用13%以上电抗器。

当负载谐波较重或有滤波需求时，应采用调谐电抗器、无源滤波器或有源滤波器。当采用调谐电抗器时，电容器亦应采用滤波电容器。

采用调谐电抗器或无源滤波器时，通常需要较为复杂的测试与设计，方可取得良好效果，并需要进行安全运行校验，以保证设备安全运行。

且串联电抗器后，电容器工作电压和无功输出均增加，增加量等于串联电抗器比重。

2. 无源电力滤波器

2.1无源电力滤波器的基本构造与工作原理

图10和图11分别为无源电力滤波器的主回路原理图及其谐波等效电路。由滤波电容器和电抗器串联构成一个或多个串联谐振滤波支路，分别谐振于需滤除的主要谐波频率，各滤波支路均与谐波负载并联，对负载谐波电流构成分流支路。

假定负载谐波电流和网侧谐波电流分别为Ilh和Ish，电网谐波电压为Ush，电网谐波等效阻抗和滤波器谐波阻抗分别为Zsh和Zfh，由无源电力滤波器的谐波等效电路可得描述其滤波特性的方程：

在对谐波频率串联谐振状态下，滤波支路对谐波电流呈现很低的阻抗，通常显著低于电网对谐波的等效阻抗，因此大部分谐波电流将被滤波器分流而不再流入电网，使Ish显著小于Ilh，从而得到良好的滤波效果。电网中的谐波电压也会在无源滤波器中产生谐波电流，需在滤波器设计时将此部分电流控制在较低水平。

对于工频基波电压而言，无源滤波器等效为一个电容器，可补偿负载所需无功功率。

通常，1个调谐支路只能滤除单一频率的谐波，当需要滤除多种谐波时需要采用多个调谐支路，分别调谐与不同谐波频率。图12时采用三个调谐支路分别调谐于5次、7次和11次谐波频率时所获得的滤波特性。

上述由电抗器与电容器串联谐振所构成的无源滤波支路称作单调谐滤波器，是最简单也是最