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谐波抑制的工程设计方法探讨 |
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作者：张浩 戴瑞珍 来源：不详 时间：2006-5-16 | |
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L1为电抗器的基波感抗；
XLn为电抗器在n次谐波时的感抗；
Rfn为滤波器在n次谐波时的电阻；
δ为电网角频率相对偏差。
由于系统频率的波动、滤波电容器及电抗器有关参数制造时的偏差、电抗器的调节偏差，以及环境温度和负荷的变化，滤波器的实际谐振频率可能与其设计值不完全相同，即在偏离设计值的一定范围内变化。一般情况下，单调谐滤波器在Qn=1/2δ时有最好的滤波效果，即注入电网的谐波电流最小。
由图2(b)可知，单调谐滤波器的滤波效果与δ和Qn有直接关系。Qn越大，曲线越尖锐，但越容易失谐，滤波效果下降越快；Qn过小时，滤波效果在较大范围内变化不大，但效果较低，此时损耗也较大。所以，Qn和δ的确定要经过多种方案比较，并兼顾各个指标后选取。
对于高通滤波器，由于其电抗器L与电阻R并联，有一个较低的阻抗频率范围。当频率低于某一截止频率f0（f0=1/2πRC）时，由于容抗增加使滤波器阻抗明显增加，低次谐波电流难于通过；当频率高于f0时，由于容抗不大，总的阻抗也变化不大，形成一个通频带。
与单调谐滤波器相反，其品质因数Qn=Rfn/XLn。这是因为在高通滤波器中，电阻R与电抗器L并联，电阻越大，调谐越尖锐；而在单调谐滤波器中，电阻R与电抗器L串联，电阻越小，调谐越尖锐。但无论是单调谐滤波器还是高通滤波器，品质因数是标志调谐锐度的指标。对于高通滤波器，Qn值一般取1～5。由图3(b)可以看出，即使在调谐频率附近，频率偏差也影响不大。
高通滤波器截止频率应选择靠近要滤的主要谐波，否则其损耗将大大增加。
对于某次谐波，要达到同样的滤波效果，采用单调谐滤波器将大大减小容量，但高通滤波器有综合滤波功能，它可以同时滤除若干次高次谐波，减少滤波电路数。因此，在滤波方案选择时，对于主要的谐波，宜用单调谐滤波器；而对若干较高次谐波，且谐波电流值不大，宜选用一组高通滤波器。当结合所需无功补偿容量考虑时，许多情况下，用几组单调谐滤波器加一组高通滤波器是比较经济可行的方案。
如图4为某镀锡薄板厂用LC滤波器的典型构成。
由式(2)可知，LC滤波器的滤波效果取决于电源阻抗和滤波器内部阻抗的相互关系，由于滤波器并联在电路中，其本身就是阻抗因素，容易受电源已有高次谐波畸变的影响。因此，在设计时应充分考虑以下几方面因素：
(1)电源的阻抗条件。根据系统接线，变压器参数或拟装设滤波器处母线电压及短路容量，计算系统的谐波阻抗；电网频率波动范围和滤波电容器及电抗器的调节偏差等因素构成的等值频率偏差；
(2)在工频范围内，滤波器和电容器有着相同的功能，协调系统的超前相位容量，从而有效减小滤波器容量，降低滤波器造价；电网已有高次谐波电压对滤波器可能造成的过载影响；变流器负载所产生的高次谐波量，确定滤波器的定额；
(3)高次谐波抑制指标。根据《电能质量公用电网谐波》的规定，确定各次谐波电压畸变率和注入相应电压等级电网的谐波电流允许值。
LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显。但由于其结构原理上的原因，在应用中存在着难以克服的缺陷：
(1)仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果，当谐波成份变化时补偿效果差；
(2)补偿特性受电网阻抗的影响很大；
(3)在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振，使该频率的谐波电流被放大；或者发生串联谐振，使电网侧可能存在的谐波电压向LC滤波器注入较大的谐波电流；
(4)当接在电网中的其他谐波源未采取滤波措施时，其谐波电流可能流入该滤波器，造成过载。
而有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的跟踪补偿，基本上克服了LC滤波器的上述缺点。
5有源滤波器的应用
随着功率电子器件和PWM技术的发展，基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出，使有源滤波器得到迅速发展。
前述可知，LC滤波器实际上是由滤波电容器和电抗器组成的、对某些或某次谐波呈低阻抗谐振支路，滤除这些谐波。而有源滤波器与LC滤波器的最大区别在于它是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构上由静态功率变流器构成，具有半导体功率器件的高可控性和快速响应能力。
有源滤波器的工作原理如图5所示。
负载电流IL按傅里叶级数可展开为：
IL=ΣInsin(nωt＋θn)
=I1cosθ1sinωt＋I1sinθ1cosωt＋ΣInsin(nωt＋θn)
=I1p＋I1q＋In (5)
式中：I1p为负载基波有功电流；
I1q为负载基波无功电流；
In为高次谐波电流。
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