谐波抑制与滤波装置的应用
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摘 要：本文分析了电力系统谐波产生的原因，总结了抑制谐波的措施。分析了无源滤波装置和有源滤波装置在谐波治理中的应用。分析总结了滤波装置的研究发展方向、以及新型滤波装置的构思。
关键词：谐波抑制，无源滤波器，有源滤波器，磁势平衡
1 前言
在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是频率为50Hz的正弦波，但是实际的波形总有不同程度的畸变，这就是谐波所致。随着电力技术的飞速发展，谐波所造成的危害也日趋严重，谐波污染已成为阻碍电力技术发展的重大障碍之一[1]。
电力系统中谐波的产生大致有三种来源：一，来源于发电机。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，以及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。二，来源于输配电系统。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器含有铁心，铁心具有磁饱和性，铁心饱和后是非线性的，变压器铁心常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线更陡，更易产生谐波。据统计由电力变压器产生的谐波中，其中的3次谐波电流可达额定电流的0.5％。三，来源于各种电气设备。主要包括一些电力电子整流设备，变频装置，电弧炉、电石炉，气体放电类电光源等等。据统计，由整流装置产生的谐波占电力系统所有谐波的近40％，这是最大的谐波源。
本文根据谐波产生的特点，总结了抑制谐波的措施，分析无源滤波装置和有源滤波装置在谐波治理中的应用。分析了目前有源滤波器的主要研究方向及有源滤波器设计的一种新思路。
2谐波治理
2.1谐波治理的标准
谐波的危害和影响引起了世界各国高度重视，为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2 [2]。我国水利电力部早在1984年就颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》。到1994年，国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》正式颁布[3][4]。虽然各谐波标准都不尽相同，但都是大同小异，且所有标准的都是基于以下三个目的：
(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平。
(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电。
(3)不干扰其它系统 (如通讯系统)的正常工作。
2.2谐波治理的措施
针对谐波产生的特点谐波治理的措施主要有以下3种形式：(1)主动治理，即从谐波源出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；(2)受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗谐波干扰能力；(3)被动治理，即外加滤波装置，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。
2.2.1主动治理谐波的措施
(1)改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。
(2)增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器，可有效的减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术，但是装置更加复杂。
(3)串联电抗器。串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大。因此其抑制谐波的作用受到限制。通常只能使电流失真度(THDI)降低50％左右。
(4)采用PWM技术。采用脉宽调制PWM技术，使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，但这只适用于自关断器件构成的变流器。
(5)设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为1。
(6)采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。
2.2.2受端治理谐波的措施
(1)选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响，但这必须在电网规划和设计阶段予以考虑。
(2)避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。
(3)提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。
2.2.3被动治理的措施
被动治理的主要方式是外加滤波装置，目前主要方式为无源滤波器和有源滤波器，以阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。
3无源滤波装置在谐波治理中的应用
3.1无源滤波器的工作原理
无源滤波器(Passive Power Filter，PPF)通常是由电容、电感和电阻等无源元件构成的谐振电路。传统的谐波抑制和无功补偿方法是将无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，滤波器对某些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流人电网内，从而在滤除谐波的同时也适当地补偿了无功功率。
3.2无源滤波器的工作特点
无源滤波器具有成本低、效率高、结构简单、维护方便，以及技术成熟等优点，是目前应用较为广泛的谐波抑制手段。
但同时无源滤波器也存在一些难以克服的缺陷：
（1）只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。
（2）滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。
（3）对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且需要根据高次谐波次数的多少，需设置多个LC滤波电路。
（4）滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。
（5）可能与系统阻抗发生串并联谐振。 PPF可能与系统阻抗发生串联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。
（6）随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流。
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。
4有源滤波装置在谐波治理中的应用
4.1有源滤波器的工作原理
有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)主要由谐波和无功电流的检测电路、跟踪控制电路和补偿主电路(换流逆变器)等构成。检测电路的主要功能是从负载电流中实时分离出谐波电流分量和基波无功电流分量，并将其反相后作为补偿电流的指令信号。因此，也称为指令电流检测电路。跟踪控制电路是根据主电路产生的补偿电流必须跟踪指令信号的原则，计算出经驱动电路后作用于补偿主电路各开关器件上的触发脉冲，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。
4.2有源电力滤波器的应用及工作特点
作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高，单机装置的容量也逐步提高，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。
我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。
相比无源滤波器，有源滤波器具有以下特点
(1)滤波性能不受系统阻抗的影响。
(2)不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。
(3)原理上比PPF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。
(4)可实现动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。
(5)由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。
(6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。
(7)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。
(8)可以对多个谐波源进行集中治理。
然而，在目前的电力电子器件的制造水平下，单独采用APF实现高压大功率的谐波补偿较为困难，而且成本也非常昂贵。因而，采用HAPF即将PPF和APF结合起来，取两者之长，避免它们的短处，是当前中、高电压大功率APF推广应用的必然途径。
4.3目前有源电力滤波器的主要研究方向
根据国内外的文献情况及滤波装置的特点目前有源滤波器的研究方向主要有以下几个方面。
（1）拓扑结构
APF在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由补偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕APF如何适应大容量、高电压、低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波器的拓扑结构来适应不同场合工程应用的需要。
发展到现在，APF技术已出现了多种拓扑结构：单独型[6]、变流器混合型、以及APF与PPF混合型[7~8] 等等。由于大容量APF的成本相当高，而且自关断器件的容量有限，因此单独使用的APF更适合于应用在中低压、小功率系统。多变流器HAPF的控制系统相当复杂和繁琐，而且成本更高，基本处于理论研究阶段，实用性不强。因此，谐波治理的趋势是发展APF与PPF的混合型，既可克服APF大容量、高成本的缺点，又可弥补PPF的不足，使整个滤波系统获得良好的性能。
（2）检测和控制理论
根据APF的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过检测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率变换电路。因此，检测和控制算法直接影响APF的补偿精度和补偿速度，是APF的关键技术。
APF需要实时补偿电网的谐波分量，所以对检测电路的快速性和准确性要求很高。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现的，即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过。这种方法存在难以设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等问题，因而已很少使用。随着数字化技术的发展，分别出现了基于频域分析的FFT算法、基于Fryze功率定义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法、基于瞬时无功功率理论的检测方法等等。这些谐波检测方法经过不断的改进，已经比较成熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方法都有一定的适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中。
对于控制算法，滞环控制[9]是目前应用比较广泛的跟踪控制方法之一。它的基本工作方式是：以参考信号为基准，设计一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。滞环控制具有控制电路简单、响应速度快的优点，但也存在开关频率不固定、稳态误差不可消除的缺点。近期一些文献提出各种措施，对这种方法有一些改进[10] 。另外人们提出了一些其他的控制算法比如基于无差拍控制方法、线性电流控制方法、单周控制法以及近年来一些智能控制算法等等[11~12] ，这些算法的出现对于APF的发展起了很大的促进作用。
（3）数字化控制技术
传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制的缺点也是显而易见的，要使滤波器达到满意的精度，控制电路将很复杂，且性能不稳定。为了改善有源电力滤波器的控制性能，人们开始使用单片机对有源电力滤波器进行控制。由于单片机运算速度的限制，影响了计算精度和控制实时性。但高速数字信号处理器的出现使采用数字方法实时计算谐波和无功电流变得更为现实。基于DSP控制的有源电力滤波器以具有计算速度快、稳定性好、精度高、集成度高的优点成为研究的又一热门。
（4）有源滤波器的其他形式
除了从电流补偿的角度还可以磁势的角度考虑谐波的抑制方法。基于磁势角度的滤波装置可分为串联型和并联型两种基本形式。
5总结与展望
谐波治理是电能质量问题的核心内容之一，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，无源滤波装置是目前应用较为广泛的谐波抑制手段，但存在一些难以克服的缺点。有源电力滤波器经过二、三十年的发展已成为补偿电力系统谐波及无功功率的重要装置。目前在实际应用中，并联型APF是比较成熟的拓扑结构，是优选的方案；串联型APF电路在工作时需流过全部的正常负载电流，损耗比较大，而且投切、故障后退出及各种保护电路也比较复杂；串－并联型APF当前的主要问题是控制复杂，造价高。拓扑结构、检测与控制理论以及数控技术是当前有源滤波装置重点研究方向。
针对APF控制复杂、造价高的问题，通过磁场、磁势平衡与现代控制相结合的方式设计的成本低廉的谐波抑制装置可能成为将来滤波装置一种研究方向。
参考文献
[1]王兆安，杨军，刘建军。谐波抑制和无功功率补偿。机械工业出版社1993
[2]IEC 1000-3-6.Electromagnetic compatibility(EMC)-part3: limits-section 6:assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems-basic EMC publication.1996-10
[3]电能质量公用电网谐波 GB/T14549-93，1993
[4]电力工业部，供电营业规则，1996
[5]罗安。电网谐波治理和无功补偿技术及装备。 中国电力出版社 2006
[6]王群，姚为正，刘进军，等。谐波源与有源滤波器的补偿特性。中国电机工程学报，2001，21(2)：16―20．
[7]Fujita H，Akagi H．A practical approach to harmonic compensation in power system―series connection of passive and active filters[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1991，27(6)：1020-1025．1020-1025．
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