电力系统谐波抑制及滤波器的分析

测试测量技术

摘要：谐波已被公认为电力系统的"污染"和"公害"，谐波的抑制已成为现代电力研究中的一个重大课

题。该文介绍了谐波的产生及其日前常用抑制措施，全面地分析了无源滤波器、有源滤波器以及混合型有源滤波器的种类特点及其应用，并对其应用的研究现状进行了总结，指出了其未来的发展趋势。关键词：谐波；抑制措施；混合型有源滤波器中图分类号：

TM 7文献标识码：

A 文章编号：

1003-0107(2011)01-0011-03Abstract:Harmonic is acknowledged to be the contamination and public hazard of electrical power system.Therefore,how to restrain harmonic becomes an urgent issue of modern electric research.This paper introduces the generation of harmonic and some routine restraining measures.It also analyzes category,feature and application of three filters including passive filter,active filter and combi-nation active filter.In the end,it makes a summary of the harmonic research and points out its development tendency.Key w ords:harmonic;restraining measure;combination active filter CLC number:TM7

Document code:A

Article ID ：1003-0107(2011)01-0011-03

电力系统谐波抑制及滤波器的分析

Analysis of Electrical Pow er System Harmonic Suppression and Filter

王学振（深圳市地铁集团有限公司,广东深圳518040）

Wang Xue-zhen (Shenzhen subway group Limited Company,Guangdong Shenzhen 518040）

1引言

电力系统中谐波的定义是对周期性非正弦的电量进行傅里叶级数的分解，分解的结果中除了有与电网基波频率相同的分量之外，还存在一系列大于电网基波频率的分量，我们把这部分电量称为谐波。谐波对电力系统的危害很大，它会影响电力系统输配线路的稳定运行、对电力设备和用电设备造成危害、

影响电力测量的准确性等，及其严重地威胁着电网的安全经济运行和广大用户的用电安全[1]。因此，消除电网中的谐波污染问题随着电力系统的发展愈来愈引起广泛的关注。

2谐波的产生

随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷(电气化铁道牵引负荷、电力机车、电弧炉、整流负荷、变频调速装置等)接入电力系统，谐波产生的根本原因是由于这些设备和负载的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性(正比)关系而造成的波形畸变。图1所示曲线1对应伏安特性为线性的负载，当施加电力系统是正弦波电压u 时，产生的电流为正弦波i 1，不会发生波形的畸变。当接入电力系统的负载为非线性(曲线2)时，

所产生的电流为非正弦波，如曲线i 2，其频率仍然和基频相同。只要将外加电压增加少许，电流值就会成倍地增长并呈现出不同的波形。以上就是电力系统中波形畸变的本质原因，也是谐波产生的原因。

电网谐波主要来源于三个方面[2]：(1)发电源的质量不高而产生的谐波；(2)输配电系统产生的谐波；(3)用电设备产生的谐波。其中，用电设备产生的谐波最多。

3谐波治理与抑制

当电网的谐波干扰程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成很大的影响。但是，随着谐波污染程度的增加，其影响会逐渐显示出来。如果在谐波严重超标的情况不进行谐波治理抑制，往往会产生很严重的后果。

电力系统谐波抑制的措施主要有三种[3]：

受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰的能力；

主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；

被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。

图1电力系统中的波形畸变

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3.1无源滤波器

无源滤波器(Passive Power Filter，PPF，PF)又称LC无源滤波器，是由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接而成，是一种常用的谐波抑制补偿装置。它的基本工作原理是利用LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会进入电网。多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流，这种方法简单易行，是目前常用的谐波抑制手段。无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器。

如图2所示，单调谐滤波器是利用串联L，C谐振原理构成的，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样，则该次数谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤波的目的。高通滤波器又可分为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器，如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。图3所示的双调谐滤波器采用双调谐波滤波器代替两个单调谐波滤波器，可以减少基波损耗。由于双调谐波滤波器比两个单调谐波滤波器成本低，在一些高压直流输电工程得到了广泛的应用。

无源滤波器结构简单、成本低，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功、改善功率因数。维护方便、技术设计、制造经验成熟。因此，PPF是目前采用比较广泛的谐波抑制手段。

但是无源滤波器也有其存在的缺点，例如滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐振频率随着电力系统的运行工况随时改变，L，C参数的漂移将导致滤波性能改变，使滤波性能不稳定；在特定频率下，电源阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振，电源侧某次谐波电压向LC滤波器注入很大谐波电流，使电网供电质量下降。无源滤波器存在比较明显的技术缺陷，上世纪70年代以来，人们开始致力于有源电力滤波器的研究，以弥补无源电力滤波器存在的问题。

3.2有源电力滤波器

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)，是一类重要的电力电子在电力系统中应用的装置，利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。其补偿特性不受系统阻抗的影响。

有源滤波器的工作原理就是从信号检测单元检测到的负载电流进行实时分离，得到基波无功电流分量和谐波电流分量，控制单元将其反相后作为补充电流的指令信号，主电路产生的补偿电流跟踪指令信号，控制单元计算出经驱动电路后，给功率单元的驱动供给触发脉冲，补偿功率单元的主电路产生有效的补偿电流，使电网电流中只含有基波分量，达到消除谐波与无功补偿的目的。有源滤波的结构原理如图5所示。

根据APF接入电网方式的不同可以分为并联型和串联型两种。可以把并联型APF看作电流源，它向电网中注入补偿电流来补偿电流型负载的谐波、无功和负序电流；串联型有源APF能调整电源电压和对谐波隔离，其主要作用是消除电压型谐波源对系统的影响。由于串联型APF中流过的是正常负载电流，与并联型APF相比损耗较大。

3.3混合型有源滤波器

虽然有源电力滤波器能在一定程度上弥补无源滤波器在谐波抑制存在的比较明显的技术缺陷，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这主要是因为：在现有功率器件水平下，难于实现大容量的有源电力滤波器；与无源滤波器相比，APF的成本较高。为了提高有源电力滤波器的容量，降低有源电力滤波器的成本。可将并联型或串联型有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用，组成混合型有源电力滤波器。理论上，混合型有源电力滤波器的组合形式很多，根据应用场合不同，混合的APF主要有以下几种[4]。

3.3.1并联型APF+并联型PPF

并联型APF与并联PPF相结合构成的混合型APF结构

通用测试

eneral Test

G

图2单调谐滤波器

图3双调谐滤波器图4

高通滤波器图5有源电力滤波结构图

(a)一阶（b)二阶（c)三阶（d)C型12

2011第01期

测试测量技术

的示意图如图6所示。在该结构中，APF 与PPF 都以并联的方式接入电力系统中。

该结构由于开关频率的，APF 常被用于补偿低次谐波，

PPF 用于补偿高次谐波，同时APF 还可以抑制电网和PPF 之间的谐振，该结构可以用于电铁系统中。

3.3.2串联型APF+并联型PPF

串联型APF 与并联型PPF 相结合的混合APF 结构如图7所示。在该结构中，APF 经变压器串联在电力系统中，而PPF 并联在系统中。

APF 在此组合中相当于一个谐波隔离装置。串联APF 将迫使负载的谐波电流流入PPF ，同时也阻止了电源的谐波电压窜入负载侧。对谐振频率处的谐波，

PPF 呈极低阻抗。这种组合方案结合了PPF 和APF 各自的优点，装置的补偿容量可以做得很大。大部分谐波被相对廉价的PPF 滤除，装置成本相对较低。

3.3.3APF 与PPF 并联后并联接入电网

APF 与PPF 经变压器并联，然后并联接入电力系统中，其结构图如图8所示。

在该组合中，PPF 的作用主要是用来滤除谐波，而APF 的作用是改善PPF 滤波特性。

在这种方式中，APF 不直接承受系统基波电压，因此装置容量小，开关器件耐压等级降低。此种方式克服了大容量APF 结构复杂、损耗大、成本高的缺点，使整个系统获得良好性能。另外，在APF 维护时，PPF 仍能正常工作，不影响系统基本运行。

3.3.4统一电能质量调节器

由于并联型APF 和串联型APF 各有优缺点，而且其优缺点存在互补性，所以人们将并联型APF 和串联型APF 结合起来，研制出了串并联谐波综合控制器，通常称为统一电能质量调节器。统一电能质量调节器在柔性交流输电中得到广泛应用。如图9所示。

目前，研究最多的是LC 串联调谐滤波器与APF 的串联，这种结构既能补充谐波电流又能补偿无功电流，可以降低有源电力滤波器的电压等级，是很有应用前景的一种组合结构。

4总结与展望

谐波的治理和抑制是电力系统运行中的核心内容之一，是改善电能质量、节省能源的重要手段，也是现代电力生产发展的迫切需要。针对电力系统产生谐波的形式，传统的方法较

多，但存在诸多缺点，无源滤波装置是目前应用较为广泛的谐波抑制手段，为解决电力系统谐波抑制与无功补偿问题奠定了理论基础，但存在一些难以克服的缺点。有源电力滤波器作为抑制谐波、改善电能质量的一项关键技术，可以显著改善电能质量提高电力系统稳定性。

随着半导体工业的发展，器件性能价格比会不断提高，APF 在经济上的合理性日益明显。有源电力滤波器在日本、

美国、德国等发达工业国家得到了日益广泛的应用[5]，已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段，是有很好发展前景的一项新技术，而且混合型的APF 将会逐渐走向主流。APF 的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]刘蓉晖,王如玫,杨尔滨,等.谐波抑制与滤波器的应用[J].上海电力学院学报,2008,24(1):4-7.

[2]王宇.电力系统谐波及其抑制技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨

理工大学,2009:9-14.

[3]谢易澎.电力系统谐波及其抑制技术的研究[D].大连:大连理工大学,2008:4-18.

[4]杜雄.电力谐波有源补偿新方法的研究[D].重庆:重庆大学,2005:7-13.

[5]张铁龙,徐工林,陶霞.谐波抑制与滤波装置的应用[J].电气开关,2009,47(4):75-

79.

图6并联型APF 与并联型PPF

组合

图7串联型APF 与并联型PPF 组合

图8APF 与PPF

并联后并联接入电网

图9统一电能质量调节器

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