２０１１年第３期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ机械与电子０ 科技信｜｜ ｌ基于无源滤波器的电网谐波滤波的研究 徐瑞君’高超 韩荣全。 （１．山东一通工程技术服务有限公司 山东 济南２５０１０１：２．山东建大建筑规划设计研究院 山东２５００１３；３，莱阳市建筑设计研究院有限责任公司 山东 莱阳２６５２００） 济南 【摘 要】本文对谐波的在电力系统、工业、交通及家庭中的危害进行了阐述，提出了抑制谐波的措施和选择滤波器的方法。并对无源滤波 器进行了比较详细的介绍，然后通过仿真，展示了无源滤波器的滤波效果。对提高电力系统的利用效率及电力系统的安全经济可靠运行具有指 导意义。 【关键词】谐波抑制措施；滤波器；谐波抑制仿真 Ｏ引言 可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分 滤波器，以滤除某一次以上的谐波。 解。除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基 并联无源滤波器的滤波电路原理如下图ｌ所示。 波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（ｎ＝ 图中：Ｓ——电力系统；Ｌ一负载（全部谐波源负载）；ＰＰＦ－－ＬＣ滤波 ｆｎ／ｆ１）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或 器（无源）； 分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领 ，＾——由全部负载Ｌ产生的某ｈ次谐波合成电流； ——无源滤波器支路的第ｈ次谐波电抗； 域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其次数范围一般为 ２≤ｎ≤５０。我国电力系统的额定频率为５０Ｈｚ，则基波频率为５０Ｈｚ，二 流向电源系统的某ｈ次谐波电流； 次谐波频率为１００Ｈｚ，三次谐波频率为１５０Ｈｚ等。 流向无源滤波器的电流； ７Ｏ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 （， 一分支点的某ｈ次谐波电压。 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 无源滤波器电路对系统Ｓ产生的谐波电压： 也日趋严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备 Ｕ Ｉ１ ｘＸ ｌ ＫＸ 由于Ｘｐ＜ 因此 ＜＜ ×，＾＝ ＋ ，这样大部分谐波电流都流向 过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短．甚至发生故障 或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量 滤波器，而其谐波阻抗 很小，因此 ＝ × 就可以限制到标准值 以下。 放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误 动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电 以下是几种不同的无源滤波器接线方式： 子设备会产生严重干扰。 １ 谐波抑制措施及滤波器的选择 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有 两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适 用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功 站 率因数可控制为１，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装 置。 （８） （ｂ） （ｃ） （ｄ） 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用ＬＣ调谐滤波器。这种方 （ａ）单调谐滤波器（ｂ）双调谐滤波器（ｃ）高通滤波器（ｄ）ｃ滤波器 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 图２滤波器接线方式 用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响．易 它有下列特点： 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 谐波为容抗，可用来补偿无功，但事先要加以考虑，否则过补偿会 外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此，ＬＣ 使母线电压升高；有３次谐波，仍为容抗，３次谐波将通过此滤波器，因 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段． ．此必须并联装设３次谐波滤波器；对５次谐波为低阻抗，略有感性，５ 次谐波电流可大部分通过：对７次及更高次谐波为大电抗，无滤波作 用：容仍然有可能和系统的电抗对某次谐波构成振荡回路而放大电流； 滤波器一旦制成．性能参数难以变动，因此当电网谐波阻抗降低时，滤 波效果将随之降低，当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波 器过载。 另一方面即使电网参数和谐波电流都不变，但由于温度变化，滤 波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。此外滤波 器的电抗电容值通常也会有容差即偏离其标准值±ｌＯ％而增加了失谐 图１ 并联无源滤波器ＰＰＦ电流分布图 度，也会降低滤波效率；当电网短路容量大（即电源阻抗小）时，则要求 滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是精确调谐（锐调谐），但由于部件 根据滤波器滤波原理的不同，可以将电力滤波器分为无源电力滤 性能的容差和变动使滤波器的设计有很大的困难；周波变流器输入侧 波器和有源电力滤波器两种。并且各自由于连接方式的不同，又分为 谐波频率成份复杂而且与输出频率有关。无源滤波器对此不能适应； 很多种，如串联型，并联型，混合型等。无源电力滤波器（ＰＰＦ）是传统 无源滤波器的最大特点是结构简单、结实、造价相对较低。 的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的 无源电力滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做得很 典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器、电抗器和 大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数；维护方便， 电阻组合而成。一个简单的串联Ｌｃ电路与谐波源并联．应用其谐振 造价低．运行费用也低：对某一次高次谐波吸收效果明显；设计和制造 原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波 经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。 电流不再流人电网，达到抑制该次谐波的目的。如果要滤除若干次谐 本论文选用无源滤波器中的单调谐滤波器。单调谐滤波器通常以 波，就用若干个单调谐ＬＣ滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还 调谐频率为出发点进行设计。令基波频率为ｆ１，对应角频率为ｗ１，对应 科技信息 Ｏ机械与电子Ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第３期 于谐振频率有： Ｘｖ，＝ｈｗ￣Ｌ＝ｈＸ ｎ＝ ＝争 发生的谐振频率为： ｆｏ＝ｈｆ， １ 所消除的谐波次数为： “Ｌ一，ｏ一 图６示波器显示的波形图 对任意ｈ次谐波，滤波器的阻抗为： 图５中加入的ＲＬＣ即是单调谐滤波器，用它来滤除５次谐波，它 Ｒ＋ｊ（ｈＸ 一辛） 根据所要去除的谐波次数选择合适的Ｌ、Ｃ参数。 的元件参数值为：Ｒ＝０．２，Ｌ＝０．２，Ｃ＝２．０２６１￣Ｆ。为了滤除不同次数的谐 波，采用的单调谐滤波器的参数值，可应用表１给出的参数值。示波器 显示的是经过５次谐波滤波器滤波后的波形。也就是经过滤波，示波 由于单调谐滤波器中，起主要作用的是电感和电容，而电阻是一 器显示的是只有基波和３次谐波叠加形成的波形。为了比较滤波效 个低值电阻，补偿电路中的阻抗。可对Ｒ取一个较小的值，主要利用Ｌ 果．将上边所给出的基波和３次谐波进行叠加，看其波形。 和Ｃ的对应关系求参数。给定参数值Ｒ＝０．２ｎ，Ｌ＝０．２Ｈ时，对应不同的 谐波次数，根据以上公式，计算的电容Ｃ值不同。具体值如下表 表１ 谐波次数和对应的电容取值 Ｓｉｎｅ Ｗ，¨２ ２基于无源滤波器的谐波抑制仿真 对电网谐波采用ＭＡＴＬＡＢ软件进行计算机仿真，从而更加深刻 的了解谐波的组成和谐波的变化及特点，对监测并提高电能质量具有 很大帮助。 用３个正弦信号的叠加来构造一个谐波，３个正弦信号的频率分 别为５０Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２５０Ｈｚ，幅值为１Ａ、０．２Ａ、０．２Ａ。未加滤波器的谐波 产生的仿真图如下： 图７基波和三次谐波叠加的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真图 由图６和图８比较可知．加入的５次谐波滤波器的滤波效果是很 明显的。 ３ 结论 回～本文简单介绍了谐波的危害，抑制谐波的措施和选择滤波器的方 法。并对无源滤波器进行了比较详细的介绍。然后通过仿真，展示了无 源滤波器的滤波效果。从仿真的结果可以看出，无源滤波器的滤波效 果还是比较明显的。无源滤波器应用已经比较成熟，但它也有些难以 克服的缺点，如： ３．１ 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。 ３．２滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。 ３．３滤波特性受系统参数影响较大。 ３－４ 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。 ３．５装置体积大，损耗大。 基于无源滤波器的一些缺点．有源滤波器成为了滤波器发展的一 个趋势。 图４示波器显示的波形图 专 图３产生谐波的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真图 【参考文献】 ［１］王兆安＿｛皆波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１． 示波器显示的便是３种不同频率的正弦波叠加形成的波形。 ２］罗军辉．ＭＡＴＬＡＢ ７．０在数字信号处理中的应用【Ｍ］．北京：机械工业出版社， 在仿真电路中加入单调谐滤波器进行滤波。对谐波进行滤波的 ［２０Ｏ５． Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真图如下： ［３］吴天明，谢小竹，彭彬．ＭＡＴＬＡＢ电力系统设计与分析【Ｍ１．北京：国防工业出 版社．２００４． ［４］肖湘宁，等．电能质量分析与控制【Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４． 作者简介：徐瑞君（１９８２一），男，大学本科，毕业于山东建筑大学电气工程 与自动化专业，现主要从事建筑电气，工业电气与自动控制工程设计。 ［责任编辑：翟成梁］ 一 ： 图５对谐波进行滤波的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真图 ９７