谐波抑制的工程设计方法探讨

1前言

随着大功率半导体电力变流器、变频器等电力电子设备的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入了电网，由于电力电子器件的非线性工作特性决定了基波电流滞后，且谐波的消极影响越来越严重，因此，如何有效地抑制谐波是电力设计中的一项重要内容。

2谐波的危害

（1）增加了无功功率消耗和铜损

在电流波形畸变的情况下，电力系统的视在功率应为：

S2=P2＋Q2＋T2(1)

式中：S为视在功率；

P为有功功率；

Q为无功功率；

T为畸变功率。

由于谐波电压和电流的频率不同，其相角差随频率差作周期性变化，累计的功率之和为零，所以畸变功率具有无功功率性质。

谐波电流将使电力系统中的元件如电动机产生谐波铜耗、谐波杂散损耗及谐波铁耗。谐波损耗的存在使得电动机总损耗增加，温升增加及效率降低。电动机将多吸收无功功率，导致功率因数下降。

（2）含有高次谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对高次谐波阻抗很小，谐波电流加在电容器的基波上，使电容器的总运行电流增大，温升提高，很容易发生过负荷以至损坏，导致使用寿命缩短。同时，谐波对电容器参数匹配产生影响，有可能在电网中造成高次谐波谐振，使故障加剧。

（3）由于谐波引起控制系统误差造成触发角偏移

及电流、电压变化率过高，引起晶闸管故障，甚至引起变流装置、自动控制装置的控制失灵和误动作，进而造成系统故障。

（4）持续的谐波含量过高，将加速变压器、电动

机、电力电缆的绝缘老化而使其容易被击穿。某些情况下，特别在瞬态过程中，还可能引起谐振过电压。

（5）谐波电压和谐波电流通过线路间的感应耦

合，会在通讯线路中感应出相当大的谐波电压，从而对通讯线路造成干扰，影响通信网络的正常工作。

3谐波的抑制措施

根据GB/T1454993《电能质量公用电网谐波》的要求，必须对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。

在电力系统的设计中，加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，如：尽可能保持三相负荷平衡，避免各类电磁系统饱和，错开系统谐振点，由专门电路为谐波源负载供电等，都能减小系统中的谐波成份。但其中许多措施都会大大增加系统和设备的投资，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，设置交流滤波器是有效抑制谐波和改善波形的积极措施，同时滤波器还能向系统提供所需的部分或全部无功。

图1高次谐波等效电路

(a)接线系统(b)等效电路

图2单调谐滤波器

(a)结构(b)y=f(δ)特性

图3高通滤波器

(a)结构(b)阻抗频率特性

整流器、逆变器等非线性负荷，因为其本身可以表示为产生高次谐波电流的恒流源，故可用图1来表示高次谐波的等效电路。

流向电网的谐波电流IS和母线的谐波电压VB可表示为：

IS=InZL/(ZS＋ZL）

VB=ISZS(2)

式中：IS为注入电网的谐波电流；

In为谐波电流；

VB为谐波电压；

ZS为电网阻抗；

ZL为电网负载阻抗。

该式表明，当电网阻抗(ZS)一定时，相对减小系统负载阻抗(ZL)，就可以减小流向电网的谐波电流和母线的谐波电压（电压畸变）。谐波干扰取决于流向电网的谐波电流或电压畸变的大小。抑制谐波的目的，就是要降低流向电网的谐波电流。

因此，可以采取以下两种措施：

（1）对于电力系统，设置谐波低阻抗的分流电路，从而减小负载阻抗ZL，降低注入电网的谐波电流IS；

（2）提供逆相位的谐波，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流In，达到消除谐波的目的。

前者称为被动式滤波器，即常用的LC滤波器；后者称为能动式滤波器，即有源滤波器。

4LC滤波器的设计

LC滤波器是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。根据其电容器与电抗器的联接方式不同，主要常用的有单调谐滤波器和高通滤波器。它们的结构和阻抗特性如图2、图3所示。

单调谐滤波器的谐振次数和品质因数分别为：Qn=XLn/Rfn(3)

谐波阻抗为：

Zfn=Rfn＋j(nXL1－XC1/n)≈Rfn(1＋j2δQn)(4)

上二式中：XC1为电容器组的基波容抗；

XL1为电抗器的基波感抗；

XLn为电抗器在n次谐波时的感抗；

Rfn为滤波器在n次谐波时的电阻；

δ为电网角频率相对偏差。

由于系统频率的波动、滤波电容器及电抗器有关参数制造时的偏差、电抗器的调节偏差，以及环境温度和负荷的变化，滤波器的实际谐振频率可能与其设计值不完全相同，即在偏离设计值的一定范围内变化。一般情况下，单调谐滤波器在Qn=1/2δ时有最好的滤波效果，即注入电网的谐波电流最小。

图4LC滤波器的典型构成

由图2(b)可知，单调谐滤波器的滤波效果与δ和Qn有直接关系。Qn越