浅谈有源电力滤波器在供电电网中谐波的治理

引言

近年来，由于变频调速和节能的需要，变频器已经广泛应用于电力、机械、工业、生活等各个领域变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

1 变频器谐波的产生机理及危害

变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波； 变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

要探讨变频器的谐波产生机理，首先要了解变频器的工作原理，从结构上，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。变频器输出谐波对电动机的影响有：电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。

目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有3 种不同的结构方式：

（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；

（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；

（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器变频，这种变频器采用可控关断的全控型器件，输出波形才会非常逼近正弦波。通常变频器的主电路都选用图1 所示交-直-交形式，它包括整流AC/DC 输入和逆变DC/AC 输出两部分。

1.1 输入部分

在三相桥式整流电路中，由非线性二极管组成的三相桥式整流桥及其二极管参数的离散会引起电压主波形为正弦波，而电流波形为矩形波，波形可以按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有5次、7 次、11 次、13 次等高次谐波。

1.2 输出部分

大部分变频器采用PWM 或SPWM 调制的交直流变频方式，线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其等效后是连续的矩形波，而三相的相电压是阶梯波，输出表达式为

式中：uo为变频器输出电压；

ud为变频器直流侧电压；

琢为调制度；

棕r 为调制信号角频率；

渍为正弦调制波的初相角；

棕r为载波信号角频率；

n 为变频器输出谐波次数。

式（1）中第一项为输出波形中的基波分量，即调制时所要求的正弦波；第二项是输出波形中的谐波分量。

变频器的电源系统和电力设备输出的高压母线相连接，在这条线路上同时还存在着电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流将按各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载上，对相关电气设备造成不同程度的影响。

2 谐波的治理

变频器给人们带来极大的方便、高效率和巨大的经济效益的同时，对电网注入了大量的谐波，使供电质量不断恶化。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高。

要对变频器产生的谐波电流进行补偿或抑制，通常有两种方案：

（1）装设补偿装置；

（2）对接入电网的变频器进行改造以符合相关规定。

对已有的变频器进行改造，成本较高，而采用补偿装置进行补偿则更为合理。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC

调协滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是，也存在明显的缺点，就是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不理想。有源电力滤波器是一种用于快速动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。有源电力滤波器的系统结构如图2 所示，主要有指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路四个部分组成。

在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的，以减少传输过程中的电磁辐射。 通过抑制谐波电流，将功率因数由原来的（0.5-0.6）提高至（0.75-0.85）。