1前言
隨著大功率半導(dǎo)體電力變流器,、變頻器等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,，愈來愈多的諧波電流被注入了電網(wǎng)，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后,，且諧波的消極影響越來越嚴(yán)重,，因此，如何有效地抑制諧波是電力設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,。
2諧波的危害
（1）增加了無功功率消耗和銅損
在電流波形畸變的情況下,，電力系統(tǒng)的視在功率應(yīng)為：
S2=P2＋Q2＋T2(1)
式中：S為視在功率；
P為有功功率,；
Q為無功功率；
T為畸變功率,。
由于諧波電壓和電流的頻率不同,，其相角差隨頻率差作周期性變化，累計(jì)的功率之和為零,，所以畸變功率具有無功功率性質(zhì),。
諧波電流將使電力系統(tǒng)中的元件如電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生諧波銅耗,、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動(dòng)機(jī)總損耗增加,，溫升增加及效率降低,。電動(dòng)機(jī)將多吸收無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)下降,。
（2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時(shí),，由于電容器對(duì)高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上,，使電容器的總運(yùn)行電流增大,，溫升提高，很容易發(fā)生過負(fù)荷以至損壞,，導(dǎo)致使用壽命縮短,。同時(shí)，諧波對(duì)電容器參數(shù)匹配產(chǎn)生影響,，有可能在電網(wǎng)中造成高次諧波諧振,，使故障加劇。
（3）由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差造成觸發(fā)角偏移
及電流,、電壓變化率過高,，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置,、自動(dòng)控制裝置的控制失靈和誤動(dòng)作,，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障。
（4）持續(xù)的諧波含量過高,，將加速變壓器,、電動(dòng)
機(jī)、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿,。某些情況下,，特別在瞬態(tài)過程中，還可能引起諧振過電壓,。
（5）諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應(yīng)耦
合,，會(huì)在通訊線路中感應(yīng)出相當(dāng)大的諧波電壓，從而對(duì)通訊線路造成干擾,，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作,。
3諧波的抑制措施
根據(jù)GB/T1454993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求，必須對(duì)各種非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制,。
在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,，加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級(jí)；增加變流裝置的脈動(dòng)數(shù),；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式,，如：盡可能保持三相負(fù)荷平衡，避免各類電磁系統(tǒng)飽和,，錯(cuò)開系統(tǒng)諧振點(diǎn),，由專門電路為諧波源負(fù)載供電等，都能減小系統(tǒng)中的諧波成份,。但其中許多措施都會(huì)大大增加系統(tǒng)和設(shè)備的投資,，且有些方法的效果并不一定很理想。因此,，設(shè)置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施,，同時(shí)濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無功。
圖1高次諧波等效電路
(a)接線系統(tǒng)(b)等效電路
圖2單調(diào)諧濾波器
(a)結(jié)構(gòu)(b)y=f(δ)特性
圖3高通濾波器
(a)結(jié)構(gòu)(b)阻抗頻率特性
整流器,、逆變器等非線性負(fù)荷,，因?yàn)槠浔旧砜梢员硎緸楫a(chǎn)生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來表示高次諧波的等效電路,。
流向電網(wǎng)的諧波電流IS和母線的諧波電壓VB可表示為：
IS=InZL/(ZS＋ZL）
VB=ISZS(2)
式中：IS為注入電網(wǎng)的諧波電流,；
In為諧波電流；
VB為諧波電壓,；
ZS為電網(wǎng)阻抗,；
ZL為電網(wǎng)負(fù)載阻抗。
該式表明,，當(dāng)電網(wǎng)阻抗(ZS)一定時(shí),，相對(duì)減小系統(tǒng)負(fù)載阻抗(ZL)，就可以減小流向電網(wǎng)的諧波電流和母線的諧波電壓（電壓畸變）,。諧波干擾取決于流向電網(wǎng)的諧波電流或電壓畸變的大小,。抑制諧波的目的，就是要降低流向電網(wǎng)的諧波電流,。
因此,，可以采取以下兩種措施：
（1）對(duì)于電力系統(tǒng)，設(shè)置諧波低阻抗的分流電路,，從而減小負(fù)載阻抗ZL,，降低注入電網(wǎng)的諧波電流IS；
（2）提供逆相位的諧波,，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流In,，達(dá)到消除諧波的目的。
前者稱為被動(dòng)式濾波器,，即常用的LC濾波器,；后者稱為能動(dòng)式濾波器,，即有源濾波器。
4LC濾波器的設(shè)計(jì)
LC濾波器是利用LC諧振原理,，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道,，使之不注入電網(wǎng),。根據(jù)其電容器與電抗器的聯(lián)接方式不同，主要常用的有單調(diào)諧濾波器和高通濾波器,。它們的結(jié)構(gòu)和阻抗特性如圖2,、圖3所示。
單調(diào)諧濾波器的諧振次數(shù)和品質(zhì)因數(shù)分別為：
Qn=XLn/Rfn(3)
諧波阻抗為：
Zfn=Rfn＋j(nXL1－XC1/n)≈Rfn(1＋j2δQn)(4)
上二式中：XC1為電容器組的基波容抗,；
XL1為電抗器的基波感抗,；
XLn為電抗器在n次諧波時(shí)的感抗；
Rfn為濾波器在n次諧波時(shí)的電阻,；
δ為電網(wǎng)角頻率相對(duì)偏差,。
由于系統(tǒng)頻率的波動(dòng)、濾波電容器及電抗器有關(guān)參數(shù)制造時(shí)的偏差,、電抗器的調(diào)節(jié)偏差,，以及環(huán)境溫度和負(fù)荷的變化，濾波器的實(shí)際諧振頻率可能與其設(shè)計(jì)值不完全相同,，即在偏離設(shè)計(jì)值的一定范圍內(nèi)變化,。一般情況下，單調(diào)諧濾波器在Qn=1/2δ時(shí)有最好的濾波效果,，即注入電網(wǎng)的諧波電流最小,。
圖4LC濾波器的典型構(gòu)成
由圖2(b)可知，單調(diào)諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關(guān)系,。Qn越大,，曲線越尖銳，但越容易失諧,，濾波效果下降越快,；Qn過小時(shí)，濾波效果在較大范圍內(nèi)變化不大,，但效果較低,，此時(shí)損耗也較大。所以,，Qn和δ的確定要經(jīng)過多種方案比較,，并兼顧各個(gè)指標(biāo)后選取。
對(duì)于高通濾波器,，由于其電抗器L與電阻R并聯(lián),，有一個(gè)較低的阻抗頻率范圍。當(dāng)頻率低于某一截止頻率f0（fO=1/2πRC）時(shí)，由于容抗增加使濾波器阻抗明顯增加,，低次諧波電流難于通過,；當(dāng)頻率高于f0時(shí)，由于容抗不大,，總的阻抗也變化不大,，形成一個(gè)通頻帶。
與單調(diào)諧濾波器相反,，其品質(zhì)因數(shù)Qn=Rfn/XLn,。這是因?yàn)樵诟咄V波器中，電阻R與電抗器L并聯(lián),，電阻越大,，調(diào)諧越尖銳；而在單調(diào)諧濾波器中,，電阻R與電抗器L串聯(lián),，電阻越小，調(diào)諧越尖銳,。但無論是單調(diào)諧濾波器還是高通濾波器,，品質(zhì)因數(shù)是標(biāo)志調(diào)諧銳度的指標(biāo)。對(duì)于高通濾波器,，Qn值一般取1～5,。由圖3(b)可以看出，即使在調(diào)諧頻率附近,，頻率偏差也影響不大,。
高通濾波器截止頻率應(yīng)選擇靠近要濾的主要諧波，否則其損耗將大大增加,。
對(duì)于某次諧波,，要達(dá)到同樣的濾波效果，采用單調(diào)諧濾波器將大大減小容量,，但高通濾波器有綜合濾波功能,，它可以同時(shí)濾除若干次高次諧波，減少濾波電路數(shù),。因此,，在濾波方案選擇時(shí)，對(duì)于主要的諧波,，宜用單調(diào)諧濾波器,；而對(duì)若干較高次諧波，且諧波電流值不大,，宜選用一組高通濾波器,。當(dāng)結(jié)合所需無功補(bǔ)償容量考慮時(shí),，許多情況下，用幾組單調(diào)諧濾波器加一組高通濾波器是比較經(jīng)濟(jì)可行的方案,。
如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構(gòu)成,。
由式(2)可知，LC濾波器的濾波效果取決于電源阻抗和濾波器內(nèi)部阻抗的相互關(guān)系,，由于濾波器并聯(lián)在電路中,，其本身就是阻抗因素，容易受電源已有高次諧波畸變的影響,。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮以下幾方面因素：
(1)電源的阻抗條件,。根據(jù)系統(tǒng)接線,，變壓器參數(shù)或擬裝設(shè)濾波器處母線電壓及短路容量，計(jì)算系統(tǒng)的諧波阻抗,；電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍和濾波電容器及電抗器的調(diào)節(jié)偏差等因素構(gòu)成的等值頻率偏差,；
(2)在工頻范圍內(nèi)，濾波器和電容器有著相同的功能,，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的超前相位容量,，從而有效減小濾波器容量，降低濾波器造價(jià),；電網(wǎng)已有高次諧波電壓對(duì)濾波器可能造成的過載影響,；變流器負(fù)載所產(chǎn)生的高次諧波量，確定濾波器的定額,；
(3)高次諧波抑制指標(biāo),。根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，確定各次諧波電壓畸變率和注入相應(yīng)電壓等級(jí)電網(wǎng)的諧波電流允許值,。
LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，吸收諧波效果明顯。但由于其結(jié)構(gòu)原理上的原因,，在應(yīng)用中存在著難以克服的缺陷：
(1)僅對(duì)固有頻率的諧波有較好的補(bǔ)償效果,，當(dāng)
諧波成份變化時(shí)補(bǔ)償效果差；
(2)補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大,；
(3)在特定頻率下,，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間
可能會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，使該頻率的諧波電流被放大,；或者發(fā)生串聯(lián)諧振,，使電網(wǎng)側(cè)可能存在的諧波電壓向LC濾波器注入較大的諧波電流；
(4)當(dāng)接在電網(wǎng)中的其他諧波源未采取濾波措施時(shí),，其諧波電流可能流入該濾波器,，造成過載,。
而有源濾波器能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的跟蹤補(bǔ)償，基本上克服了LC濾波器的上述缺點(diǎn),。
5有源濾波器的應(yīng)用
隨著功率電子器件和PWM技術(shù)的發(fā)展,，基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)法的提出，使有源濾波器得到迅速發(fā)展,。
前述可知,，LC濾波器實(shí)際上是由濾波電容器和電抗器組成的、對(duì)某些或某次諧波呈低阻抗諧振支路,，濾除這些諧波,。而有源濾波器與LC濾波器的最大區(qū)別在于它是一種向系統(tǒng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動(dòng)式濾波裝置,。它能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成,，具有半導(dǎo)體功率器件的高可控性和快速響應(yīng)能力,。
圖5有源濾波器工作原理
有源濾波器的工作原理如圖5所示。
負(fù)載電流IL按傅里葉級(jí)數(shù)可展開為：
IL=ΣInsin(nωt＋θn)
=I1cosθ1sinωt＋I(xiàn)1sinθ1cosωt＋ΣInsin(nωt＋θn)
=I1p＋I(xiàn)1q＋I(xiàn)n(5)
式中：I1p為負(fù)載基波有功電流,；
I1q為負(fù)載基波無功電流,；
In為高次諧波電流。
將濾波器并聯(lián)連接在諧波發(fā)生源和電源之間,，Is=IL＋I(xiàn)F,。控制有源濾波器的輸出電流IF=－In,，電源側(cè)電流則為只含基波分量的正弦波形,。即：有源濾波器產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流注入負(fù)載電流IL流經(jīng)的線路中,，將負(fù)載諧波抵消,，使之不流入電網(wǎng)。由式(5)可知,，有源濾波器還可同時(shí)補(bǔ)償無功,，即使IF=－I1q－In，IS=－I1p,，從而提高系統(tǒng)功率因數(shù),。
有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)由諧波電流檢測(cè)、控制電路,、PWM逆變器,、直流電源及注入變壓器等部分組成。根據(jù)逆變器儲(chǔ)能元件不同,，可將有源濾波器分為電流型和電壓型兩種,。電流型有源濾波器儲(chǔ)能元件為電感,，由于其運(yùn)行損耗較大，對(duì)儲(chǔ)能電感的充電控制較復(fù)雜,，因而使其應(yīng)用受到限制,；電壓型有源濾波器儲(chǔ)能元件為電容，具有損耗小,，易于控制等優(yōu)點(diǎn)而得到普遍應(yīng)用,。電壓型有源濾波器工作過程是由電容器構(gòu)成儲(chǔ)能直流電源，逆變器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生PWM輸出電壓,，將儲(chǔ)存在電容器中直流電能轉(zhuǎn)變成所需頻率和波形的補(bǔ)償電流,，經(jīng)隔離變壓器注入線路中。PWM逆變器同時(shí)兼有向電抗器或電容器提供直流電能的功能,。這個(gè)過程直接受諧波電流補(bǔ)償量檢測(cè)及控制電路的控制,。
有源濾波器具有以下特點(diǎn)：
(1)該裝置是一個(gè)諧波電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)
阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響,；
(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，該裝置不存在產(chǎn)生諧
振的危險(xiǎn),，不影響補(bǔ)償性能,； (3)不存在過載問題。當(dāng)系統(tǒng)諧波電流增大超
過裝置的補(bǔ)償能力時(shí),，濾波器仍可發(fā)揮最大補(bǔ)償作用,；
(4)對(duì)系統(tǒng)中各次諧波均能有效抑制；
(5)一臺(tái)裝置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多次諧波和基波無功電
流的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,。
但是,，與LC濾波器相比，有源濾波器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,，運(yùn)行損耗較大,，設(shè)備造價(jià)高。由于有源濾波器本身是以開關(guān)方式工作,，在補(bǔ)償諧波的同時(shí),，也會(huì)注入新的諧波，但其開關(guān)頻率很高（達(dá)3kHz以上）,，諧波頻率高,，幅值低。
有源濾波器可用于抑制負(fù)載為周期性變化的高次諧波和LC濾波器不能抑制的部分高次諧波,。表1為有源濾波器的兩種接線方式比較,。
直接接入方式是有源濾波器與系統(tǒng)的基本連接方式。此時(shí)PWM逆變器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源,，其產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等,、相位相反的諧波電流,，使電源側(cè)電流被補(bǔ)償成正弦。該方式下,，電源基波電壓全部加在逆變器上,，因而裝置容量較大。該接線方式的濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的功能,，能在補(bǔ)償諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無功,。
注入電路方式的有源濾波器將電抗器和電容器作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性,，使有源濾波器不承受基波電壓,，從而減小了逆變器的裝置容量，減小體積,，降低成本,。通過選擇注入電路常數(shù)，使逆變器的裝置容量?jī)H為直接接入方式的1/4～1/5,，因此適于構(gòu)成高壓電路的大型濾波裝置,。
有源濾波器也可與LC濾波器并聯(lián)或串聯(lián)組成混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合運(yùn)用。當(dāng)并聯(lián)使用時(shí),，LC濾波器用來分擔(dān)補(bǔ)償相同次數(shù)的諧波,，補(bǔ)充有源濾波器的補(bǔ)償作用，降低所需逆變器的容量,。而采用串聯(lián)方式運(yùn)用時(shí),，有源濾波器則主要不是用來直接補(bǔ)償諧波，而是用來抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振,，即所謂的諧波放大現(xiàn)象,，以改善LC濾波器的補(bǔ)償效果。此時(shí),，逆變器不承受基波電壓,，裝置容量小。
圖6有源濾波器原理電路圖
圖6為明電舍株式會(huì)社生產(chǎn)的有源濾波器原理電路圖,。該裝置可以有效濾除2～19次諧波,，諧波抑制率達(dá)85％以上，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1ms,。
6結(jié)語
（1）在治理系統(tǒng)諧波時(shí),，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中各種因素的影響，兼顧各個(gè)指標(biāo),，選擇合理有效的濾波方案,；
（2）采用LC濾波器，應(yīng)以濾波器組的綜合濾波效果為原則,，嚴(yán)格避免諧波放大現(xiàn)象的發(fā)生,；
（3）濾波電容器電容量的選擇既要滿足濾波的要求,，也要考慮無功補(bǔ)償?shù)男枰€應(yīng)使電容器能承受過電流和過電壓的影響,；
（4）有源濾波器是一種新型動(dòng)態(tài)濾波器,，其諧波抑制能力大大優(yōu)于LC濾波器。隨著對(duì)電網(wǎng)諧波問題的日益重視和其成本的逐步降低,，將具有廣闊的應(yīng)用前景,。