高次谐波及其抑制措施
字号显示：大 中 小 2006-05-23 09:21:47 来源：电子查询网
以前，人们基本上只根据电压的幅值和周波的稳定性来衡量电能的质量。近年来，随着工业生产的发展，尤其是冶金、化工产品的开发、电气铁道系统的不断扩大，以及电力电子技术的迅速发展，各种整流装置、频率变换装置得到广泛应用，大量的非线性负荷接入电网，使得电网电压已不是人们所想象的正弦波，而是发生了较大畸变，即产生了高次谐波。高次谐波污染电网，会引起各种电气设备过热、振动、产生噪音甚至损坏，还会引起计量仪表失准，或导致继电保护装置误动作，造成重要的生产过程中断甚至重大事故的发生。所以近10多年来，世界上许多国家已相继把电网电压中高次谐波的含量当作衡量电能质量的一项重要指标。在谐波抑制技术方面，有了许多成果，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外均已大量应用到工程保护项目中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。
1 谐波及其产生
按国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐波。
除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以及其他非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和50 Hz基波电压值和供电网的阻抗几乎无关。因此，对大多数谐波源视作为恒流源，它们与 50 Hz 基波不同，后者一般是恒流源。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下，它们本身不会造成电网中电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动时（例如系统发生短路故障时、切合空载或空载投入变压器时）以及超出其正常工作条件时（例如变压器运行在其额定工作电压以上时）将可能增大其产生的谐波含量。
系统中主要的谐波源是各种整流设备、交直流换流设备、电子电压调整设备、电弧炉、感应炉、现代工业设施为节能和控制使用各种电力电子设备、非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等。电气铁道机车采用的大容量单相整流供电设施，除了产生大量谐波电流外，还对三相交流供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压。这些负荷都使电力系统的电压和电流产生畸变，并对电力设备和广大用户设备及通信线路产生危害或干扰影响。值得注意的是电视机也是一个谐波源，据测试，黑白电视机的谐波总含量达基波电流的90%，而彩色电视机的谐波电流更高，达基波电流的122%，它们的单台容量虽然不大，但数量众多，且大都在同一时间投入使用，其造成的谐波危害不容忽视。
由于谐波的危害性，所以许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，该标准从1994年3月1日起开始实施（下面内容均引自该标准）。表1表示各级电压波形畸变率及各次谐波电压含量的限制。
为了控制电网的谐波电压，必须限制每个谐波用户注入电网的谐波电流。标准对谐波电流也作了限制（本文仅摘录其中部分奇次谐波限值）。
公用电网公共接地点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）不应超过表2中规定的允许值。
2 谐波抑制技术
抑制电力系统谐波，主要有以下两方面的措施。
(1)减少谐波源产生的谐波含量 这种措施一般在工程设计中予以考虑，最有效的办法是增加整流装置的脉波数，常用于大型整流装置中。
(2)在谐波源附近安装滤波器 就近吸收谐波电流，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外已大量应用到工程实际中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。
无源滤波器利用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，而达到滤波的目的。在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除起滤波外还兼顾无功补偿的需要。无源滤波器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但由于其结构原理上的原因，在应用中也存在着一些难以克服的缺点：
①抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的方法解决。
②当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。而且滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。
③当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。例如1978年底建成的武钢1700 mm热轧带钢厂成套引进工程，在设备试运行期间就曾发生过精轧主传动装置与3次谐波滤波器谐振的事故百余次。
国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题，虽然采取了一系列的措施，但因无源滤波器在原理上带来无法克服的缺点，有必要采用其他滤波方式来抑制谐波，有源滤波器就是一种新型的谐波抑制装置。
有源电力滤波器的工作原理的整体构成如图1所示。
图1中的检测及控制电路对负载电流进行检测，分离出谐波及基波无功部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流。而负载电流il 按傅里叶级数展开为：
式中，i1q 为基波有功电流；i1q 为基波无功电流；ih 为高次谐波电流。θl是基波电流初相位，θn为n 次谐波初相位。
在图1中，il=is+ic即负载电流由系统电源电流is 和有源滤波器输出的电流ic 共同提供，如果控制有源电力滤波器的输出电流，使ic=i h,则系统电源中就只需供给基波电流（有功与无功）了，即is=i1q+i1q,从而达到抑制谐波目的。简单说，有源电力滤波器只要产生一个与负载谐波幅值相等，相位相同（在图示参考方向下，若取is 和il 参考方向和图中相反，ic 参考方向与图中相同，则相位相反）的电流注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。由上述分析我们还可知，有源电力滤波器还可同时补偿无功功率，这时只需使ic=ih+i1q，则is=i1q,即系统电源中就只需供给负载电流中的基波有功电流，这样图1中的i s就是补偿了谐波和基波无功电流后的系统电源供给的电流。
3 高次谐波和无功电流的检测及控制
有源滤波器的效果如何，取决于如下3个方面：
(1) 高次谐波和无功电流的正确检测；
(2) 补偿电流的控制方案；
(3) 主电路的结构。
要使滤波器有很好的滤波效果，第一步我们必须正确检测出高次谐波和无功电流，如果这一步都做不好的话，下面的设计就无从谈起。现在的检测法主要有3种：
(1) 频率分析法该方法利用快速傅里叶变换，把负载电流中欲抵消的分量检出，再合成总的补偿电流。这种方法运算量相当大，当谐波的次数较高，微机的适时计算有困难，难以满足准确、实时性的要求。
(2) 瞬时无功功率理论基于瞬时无功功率理论的电流检测法理论比较成熟，如图2所示，它采用p-q 法，将三相瞬时电压和电流变换到二相正交的α-β坐标上，得到二相瞬时电压和瞬时电流，然后根据定义得到瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q ，再经过滤波器，滤波器可用高通滤波器，让高次谐波通过，而抑制基波部分，也可以用低通滤波器从瞬时功率中取出基波有功成分，把它变换成三相基波电流，再用三相负载电流减去这三相基波电流，再经反变换即得三相补偿电流。
此种方法优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，缺点是成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波次数较高时，需要较高的PWM 控制开关频率。
(3) 自适应用检测法、预测检测法、基于滑模原理的方法等。
以上是检测电流的方法，电流检测出后，我们还必须对补偿电流进行控制，它也有3种控制方法，这3种方法各有优劣。
(1)滞环控制可获得较好的控制性能，兼有快速响应，开关频率不太高和简单易行的特点，被广泛使用。
(2)三角波载波线性控制利用一个三角波和高次谐波比较从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的响应速度快，缺点是开关频率不固定且较高，产生噪声和造成较大的开关损耗及高频失真。
(3)无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值，选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化；缺点是计算量大，而且对系统参数依赖性较大。
随着高速DSP(数字信号处理机) 芯片的应用，近年来不断有新的改进方法出现。 4 结语
电力系统中的谐波“污染”已经十分的严重，日本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器已经到了普及应用阶段。在我们国家，现在很多的大学和科研机构都在进行谐波抑制技术方面的研究，已经取得了很大的进展。相信在不久的将来，我们也会开发出适合我国国情的谐波抑制装置。
参考文献
1王兆安，等. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社，1998
2秦梅，等. 三相平衡和不平衡系统中有害电流的检测技术. 电工技术杂志，2000 3胡铭，等. 有源滤波技术及其应用. 电力系统自动化，2000
4王晓毛. 基于DSP 有源电力滤波器的研究. 广东工业大学硕士学位论文，2000
5赤木教授. 有源电力滤波器全数字控制系统的调试要点. 冯垛生译（日）. 东京工业大学，2002
高次谐波及其抑制措施
字号显示：大 中 小 2006-05-23 09:21:47 来源：电子查询网
以前，人们基本上只根据电压的幅值和周波的稳定性来衡量电能的质量。近年来，随着工业生产的发展，尤其是冶金、化工产品的开发、电气铁道系统的不断扩大，以及电力电子技术的迅速发展，各种整流装置、频率变换装置得到广泛应用，大量的非线性负荷接入电网，使得电网电压已不是人们所想象的正弦波，而是发生了较大畸变，即产生了高次谐波。高次谐波污染电网，会引起各种电气设备过热、振动、产生噪音甚至损坏，还会引起计量仪表失准，或导致继电保护装置误动作，造成重要的生产过程中断甚至重大事故的发生。所以近10多年来，世界上许多国家已相继把电网电压中高次谐波的含量当作衡量电能质量的一项重要指标。在谐波抑制技术方面，有了许多成果，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外均已大量应用到工程保护项目中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。
1 谐波及其产生
按国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐波。
除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以及其他非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和50 Hz基波电压值和供电网的阻抗几乎无关。因此，对大多数谐波源视作为恒流源，它们与 50 Hz 基波不同，后者一般是恒流源。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下，它们本身不会造成电网中电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动时（例如系统发生短路故障时、切合空载或空载投入变压器时）以及超出其正常工作条件时（例如变压器运行在其额定工作电压以上时）将可能增大其产生的谐波含量。
系统中主要的谐波源是各种整流设备、交直流换流设备、电子电压调整设备、电弧炉、感应炉、现代工业设施为节能和控制使用各种电力电子设备、非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等。电气铁道机车采用的大容量单相整流供电设施，除了产生大量谐波电流外，还对三相交流供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压。这些负荷都使电力系统的电压和电流产生畸变，并对电力设备和广大用户设备及通信线路产生危害或干扰影响。值得注意的是电视机也是一个谐波源，据测试，黑白电视机的谐波总含量达基波电流的90%，而彩色电视机的谐波电流更高，达基波电流的122%，它们的单台容量虽然不大，但数量众多，且大都在同一时间投入使用，其造成的谐波危害不容忽视。
由于谐波的危害性，所以许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，该标准从1994年3月1日起开始实施（下面内容均引自该标准）。表1表示各级电压波形畸变率及各次谐波电压含量的限制。
为了控制电网的谐波电压，必须限制每个谐波用户注入电网的谐波电流。标准对谐波电流也作了限制（本文仅摘录其中部分奇次谐波限值）。
公用电网公共接地点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）不应超过表2中规定的允许值。
2 谐波抑制技术
抑制电力系统谐波，主要有以下两方面的措施。
(1)减少谐波源产生的谐波含量 这种措施一般在工程设计中予以考虑，最有效的办法是增加整流装置的脉波数，常用于大型整流装置中。
(2)在谐波源附近安装滤波器 就近吸收谐波电流，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外已大量应用到工程实际中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。
无源滤波器利用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，而达到滤波的目的。在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除起滤波外还兼顾无功补偿的需要。无源滤波器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但由于其结构原理上的原因，在应用中也存在着一些难以克服的缺点：
①抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的方法解决。
②当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。而且滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。
③当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。例如1978年底建成的武钢1700 mm热轧带钢厂成套引进工程，在设备试运行期间就曾发生过精轧主传动装置与3次谐波滤波器谐振的事故百余次。
国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题，虽然采取了一系列的措施，但因无源滤波器在原理上带来无法克服的缺点，有必要采用其他滤波方式来抑制谐波，有源滤波器就是一种新型的谐波抑制装置。
有源电力滤波器的工作原理的整体构成如图1所示。
图1中的检测及控制电路对负载电流进行检测，分离出谐波及基波无功部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流。而负载电流il 按傅里叶级数展开为：
式中，i1q 为基波有功电流；i1q 为基波无功电流；ih 为高次谐波电流。θl是基波电流初相位，θn为n 次谐波初相位。
在图1中，il=is+ic即负载电流由系统电源电流is 和有源滤波器输出的电流ic 共同提供，如果控制有源电力滤波器的输出电流，使ic=i h,则系统电源中就只需供给基波电流（有功与无功）了，即is=i1q+i1q,从而达到抑制谐波目的。简单说，有源电力滤波器只要产生一个与负载谐波幅值相等，相位相同（在图示参考方向下，若取is 和il 参考方向和图中相反，ic 参考方向与图中相同，则相位相反）的电流注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。由上述分析我们还可知，有源电力滤波器还可同时补偿无功功率，这时只需使ic=ih+i1q，则is=i1q,即系统电源中就只需供给负载电流中的基波有功电流，这样图1中的i s就是补偿了谐波和基波无功电流后的系统电源供给的电流。
3 高次谐波和无功电流的检测及控制
有源滤波器的效果如何，取决于如下3个方面：
(1) 高次谐波和无功电流的正确检测；
(2) 补偿电流的控制方案；
(3) 主电路的结构。
要使滤波器有很好的滤波效果，第一步我们必须正确检测出高次谐波和无功电流，如果这一步都做不好的话，下面的设计就无从谈起。现在的检测法主要有3种：
(1) 频率分析法该方法利用快速傅里叶变换，把负载电流中欲抵消的分量检出，再合成总的补偿电流。这种方法运算量相当大，当谐波的次数较高，微机的适时计算有困难，难以满足准确、实时性的要求。
(2) 瞬时无功功率理论基于瞬时无功功率理论的电流检测法理论比较成熟，如图2所示，它采用p-q 法，将三相瞬时电压和电流变换到二相正交的α-β坐标上，得到二相瞬时电压和瞬时电流，然后根据定义得到瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q ，再经过滤波器，滤波器可用高通滤波器，让高次谐波通过，而抑制基波部分，也可以用低通滤波器从瞬时功率中取出基波有功成分，把它变换成三相基波电流，再用三相负载电流减去这三相基波电流，再经反变换即得三相补偿电流。
此种方法优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，缺点是成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波次数较高时，需要较高的PWM 控制开关频率。
(3) 自适应用检测法、预测检测法、基于滑模原理的方法等。
以上是检测电流的方法，电流检测出后，我们还必须对补偿电流进行控制，它也有3种控制方法，这3种方法各有优劣。
(1)滞环控制可获得较好的控制性能，兼有快速响应，开关频率不太高和简单易行的特点，被广泛使用。
(2)三角波载波线性控制利用一个三角波和高次谐波比较从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的响应速度快，缺点是开关频率不固定且较高，产生噪声和造成较大的开关损耗及高频失真。
(3)无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值，选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化；缺点是计算量大，而且对系统参数依赖性较大。
随着高速DSP(数字信号处理机) 芯片的应用，近年来不断有新的改进方法出现。 4 结语
电力系统中的谐波“污染”已经十分的严重，日本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器已经到了普及应用阶段。在我们国家，现在很多的大学和科研机构都在进行谐波抑制技术方面的研究，已经取得了很大的进展。相信在不久的将来，我们也会开发出适合我国国情的谐波抑制装置。
参考文献
1王兆安，等. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社，1998
2秦梅，等. 三相平衡和不平衡系统中有害电流的检测技术. 电工技术杂志，2000 3胡铭，等. 有源滤波技术及其应用. 电力系统自动化，2000
4王晓毛. 基于DSP 有源电力滤波器的研究. 广东工业大学硕士学位论文，2000
5赤木教授. 有源电力滤波器全数字控制系统的调试要点. 冯垛生译（日）. 东京工业大学，2002