Harmonics Suppression and Passive Filtering Techniques in

　　Electric Power Systems (1)

　　LI Jian-ming

　　(Shandong Hoteam Technologies Co., Ltd, Jinan 250101, China)

　　Abstract: This paper discussed the generation, hazards, control standards and suppression solutions of harmonics in electric power systems. In addition, we introduce in detail the harmonic resonance due to reactive compensation capacitors and its corresponding suppression measures. Also, applications of reactors in series as well as the principles and design techniques of passive filters are presented in this article.

　　Keywords: Electric Power Quality; Harmonics; Harmonics Suppression; Passive Filter

　　随着工业技术的发展,不断有电力电子装置和其他非线性负荷(又称畸变负荷)接入电网,电网谐波水平逐年升高。电力谐波导致的各种问题日益突出,已受到供用电双方的高度重视。

　　用串联电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振与放大,以及用无源电力滤波器抑制电力谐波等技术措施具有技术成熟、简单有效、价格较低等优点,已得到日益广泛的应用,是治理电力谐波的有效措施。

　　1 电力谐波的产生与危害

　　电力谐波主要由非线性负载产生。非线性负荷吸收的电流与端电压不成线性关系,结果电流发生波形畸变且导致端电压波形畸变。这种周期性的畸变波形可按基频(50Hz)展开成傅里叶级数形式,其大于基频的分量即为谐波。图1为实测畸变电流波形,图2为畸变波形的谐波分析示意图。

　　产生电力谐波的设备非常多,主要有变频调速器、直流调速系统、整流设备、中高频感应加热设备、晶闸管温控加热设备、焊接设备、电弧炉、电力机车、不间断电源、计算机、通讯设备、音像设备、充电器、变频空调、晶闸管调光设备、电子节能灯等。

　　谐波的危害主要包括以下几个方面:

　　(1)增加电力设施的负荷,降低系统功率因数,降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率;

　　(2)引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行;

　　(3)产生脉动转矩致使电动机振动,影响产品质量和电机寿命;

　　(4)由于涡流和集肤效应,使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热;

　　(5)增加绝缘介质的电场强度,降低设备使用寿命;

　　(6)零序谐波电流导致三相四线系统的中线过载,并在三角接法的变压器绕组内产生环流;

　　(7)引起继电保护设施的误动作,造成继电保护等自动装置工作紊乱;

　　(8)改变电压或电流的变化率和峰值,延缓电弧熄灭,影响断路器的分断容量;

　　(9)使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差;

　　(10)干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备,影响设备的正常运行。

　　2 电力谐波管制标准

　　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,如关于公用电网谐波限制的IEEE519-1992、GB/T14549-1993,关于用电设备谐波电流排放限制的IEC61000-3-2、IEC61000-3-4、GB/Z17625.1-2003、GB/Z17625.6-2003等。

　　虽然各谐波标准不尽相同,但都大同小异,且所有的标准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(如通信系统)的正常工作。

　　GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》是现行电力谐波监督管理的国家标准。除要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外,还要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国标允许值,否则应采取治理措施。

　　3 治理电力谐波的方法

　　谐波治理措施主要有三种:一是主动治理,即从谐波源本身出发,通过改进用电设备,使其不产生或少产生谐波;二是受端治理,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;三是被动治理,即通过安装电力滤波器,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。

　　由于谐波源的广泛性和复杂性,主动治理方法受到设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响,只能解决部分问题,受端治理方法和被动治理方法仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。例如通过串联失谐电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振放大,通过在系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器进行滤波等。

　　3.1 谐波共振抑制与串联电抗器的应用

　　(1)无功补偿电容器引起的谐波共振与放大

　　当系统中含有谐波时,无功补偿电容器会与系统阻抗发生并联谐振,导致谐波放大。图3为补偿电容器引起5次谐波共振的实例。

　　图4为补偿电容器与电网阻抗并联谐振的等效电路。其中C为补偿电容器容量，Ls和rs分别为电网等效电抗和等效电阻，Ilf和Ilh分别为负载的基波电流和谐波电流强度，Isf和Ish分别为网侧的基波电流和谐波电流强度，Us为电网谐波电压。

　　定义网侧谐波电流Ish与负载谐波电流Ilh之比Ish/Ilh为谐波放大因子,则Ish/Ilh与谐波频率的关系如图5所示,谐波共振频率f0由式(1)确定:

作为典型参考值,假定配电变压器短路阻抗为6%,补偿容量为变压器额定容量的50%(或30%),若忽略高压线路的短路阻抗,则谐振频率f0约为288Hz(或372Hz)。计入高压线路短路阻抗后f0还会略低一些。因此,如果负载电流中含有5次、7次等谐波分量,则会被显著放大。

　　(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,由式(2)确定。同时L与C构成一串联谐振支路,谐振频率f1由式(3)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。

　　(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250～224Hz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。

　　(未完待续)（游米儿）