滤波补偿原理

谐波的来源

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。

所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

谐波的分类

1、谐波的次数h必须为基波频率的整数倍。

2、间谐波和次谐波。在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非工频频率整数倍的周期性电流的波动，从而出现非基波整数倍频率的电流分量，称为分数谐波或称为间谐波。频率低于工频的间谐波又称为次谐波。

3、暂态过程的波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，但这些高频分量并不是谐波，与系统的基波频率无关。谐波是在稳态情况下出现的，并且其频率是基波频率的整数倍。产生谐波的畸变波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象则通常在几个周期后就消失了。

4、短时间谐波。对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应将其与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。

5、陷波。换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸变虽然也是周期性的，但与通常所说的谐波问题不同。

谐波的基本概念

1、每个谐波分量都具有不同的频率，幅度与相角。

2、h为奇数的谐波，被称为“奇次谐波”；h为偶数的谐波，被称为“偶次谐波”。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。同时，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

3、h=3k+1，k=0，1，2…次谐波称为正序性谐波，其谐波相序与基波相同；h=3k+2次谐波称为负序性谐波，其谐波相序与基波相反；h=3k+3次谐波称为零序性谐波，其三相谐波都有相同的相位。

4、谐波电流的含有率定义为，此处电流均是均方根值。

5、谐波电流畸变率定义为，其中M在国标中定为25次。

6、引入电流畸变后，，故此时功率因数还与电流畸变程度相关。

7、含有谐波的电流将在供电电网变压器的阻抗上产生一个非正弦曲线的电压降，从而导致电压畸变。

8、供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备所产生的谐波所干扰。

典型的谐波源

一般而言，当前电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有三大类：

1、铁磁饱和型：如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。

现代制造的变压器常设计在额定电压时的磁密已接近磁化饱和特性曲线的拐点，所以当电压超过额定值后，变压器的谐波电流随电压升高而迅速增加。在轻负荷期间，运行电压较高，铁芯饱和程度变深，故而谐波含量增大。其中，单相或三相Y形中性点接地的变压器电流含有大量的3次谐波电流。△形接线和Y型中性点不接地变压器，可防止零序性谐波电流的流通。

2、电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备、PWM变频器以及开关电源等电力电子设备。

电力系统中最重要的非线性负荷是产生谐波电流并具有相当容量的功率换流器。其谐波幅值大小与换流器的脉动数和控制角有关。变频器主要产生5、7次谐波。

3、电弧型：交流电弧炉、交流电焊机以及荧光灯等。

这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。其谐波电流含量基本决定于它本身的特性和工作状况以及施加给它的电压，而与电力系统的参数关系不大，因而常被看作谐波恒流源。

电弧炉谐波电流含有率 （%）

荧光灯的电子控制调节器产生大量的3次谐波。

谐波的危害

在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但当时谐波污染还没有引起足够的重视。

近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

谐波的危害十分严重：

1、增加企业的电力运行成本

谐波电流将会通过变压器“游回”高压电网，导致电网线路损耗增加、电力设备发热，从而加大了企业电力运行成本和电费的支出。

2、变压器附加发热

谐波电流及其引起的电压畸变会导致变压器的铜耗和铁损增加。同时，变压器在严重的谐波影响下将出现涡流损耗激增，其损耗与谐波电流的频率的平方成正比。故谐波电流将导致变压器局部过热，振动噪声增大，加速绝缘老化，严重缩短了变压器的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

3、引发谐振

电网中含有大量串、并联的容性和感性的负载，构成了许多串联或并联的谐振的条件。若谐波电流在该频率上出现分量，则易形成该谐波电流分量放大并可能出现谐振，从而导致过电压或过电流，危及电力系统的安全运行并引发输配电事故。

4、损害发电机和电动机

电机受谐波电压畸变的影响较大。谐波电压施加在旋转发电机和电动机的定子绕组、转子回路及铁芯中将产生谐波磁链，从而降低发电及用电设备的效率。更严重的场合下，谐波振荡会使汽轮发电机产生震荡力矩，引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。当电压畸变达到8%～10%时，电机将会出现过度发热问题。

5、影响继电保护

继电保护装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。而谐波电流易使电网的各类保护装置产生误动或拒动，特别是在已广泛应用的微机保护、综合自动化装置中影响显著，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电停产的恶性事故。

6、导致计量误差

谐波将使取电电网的测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量的作用。

7、导致断路器重燃

负载发生短路或过载时，需要断路器开断。当谐波严重时，断路器遮断能力将降低，易产生电弧重燃，甚至断路器爆炸，影响电网的短路保护能力。

8、降低产品质量

谐振电流会引起电机等设备附加振动，使得生产误差加大,降低产品的加工精度。

9、影响数字及模拟信号通讯系统

当输电线路与数字及模拟信号通讯线路平行或相距较近时，谐波将在通讯系统内产生干扰，从而降低信息的传输准确度，导致出现误码或噪声，使通信系统无法正常工作，严重时将威胁继电保护的执行。

谐波治理

70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

我国为加强对谐波的监测、管理和治理，于1994年正式颁布了GB/T 14549-93国家标准《电能质量--公用电网谐波》。该标准对不同电压等级各次谐波允许注入值都作了具体规定，同时对公用电网谐波电压的限值。

治理谐波的方法

1、无源滤波补偿装置

无功滤波补偿装置同时对基波无功功率进行补偿和对谐波电流进行吸收。无功滤波补偿装置的成本较低，经济简便，因此获得广泛应用。

无功滤波补偿装置的滤波方式可分为以下几种：

1.1、单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。由于单调谐滤波器使用的元件少，成本也较低，因此，极为受欢迎，应用也就较广泛了。

1.2、双调谐滤波器可替代两个单调谐滤波器，只有一个电抗器承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。

1.3、一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用。

1.4、二阶高通滤波器通频带很宽，滤波效果好，既可调谐振点，又可调谐曲线锐度，并可防意外共振与放大，因此也有以二阶宽通带做低次滤波器。

1.5、三阶高通滤波器一般用于电弧炉滤波

1.6、“C”式高通滤波器，可用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。

2、有源谐波滤除装置

有源滤波装置主要是由电力电子元件和直流储能元件组成电路，通过产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。

有源滤波装置的特点为：

2.1、不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点。

2.2、滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

2.3、可自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性和快速响应性等特点。

2.4、采用的d、q、0变换适用于任意非正弦、非对称三相电路，能够用于各种电流分量的测量及补偿方法。

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