抑制电力谐波的有源滤波技术概论
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摘 要 传统情况下人们采用无源滤波器对电能中存在的谐波进行滤除，但是由于该技术本身存在的一些缺陷，导致电能滤除质量较差。为此人们寻求别的方法来实现对电网中谐波的滤除，从而满足人们生活和生产中用电安全性和可靠性的需求。
关键词 电能质量；电力谐波；谐波抑制；滤波器
1 电力谐波抑制研究的意义
（1）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，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，因此谐波危害的严重性才引起人们高度关注。
（2）有人预言电力电子连同运用控制和计算机技术一起将成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染问题已成为阻碍电力电子技术发展的最大障碍。
（3）谐波对电力电网是一种污染。从维护绿色环境的角度认识，对于电力系统这一环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。对地球环境的保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理也已成为现代科学必须解决的问题。
2 电力谐波的危害
在我国的电力系统中传输的是50 Hz正弦交变电流，日常生产生活中的用电设备均按这个标准进行设计。因此，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦电压、正弦波形施加在电阻、电感和电容这些线性无源元件上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路时，电流就变为非正弦波，在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。同样非正弦电压施加在线性电路时电流也是非正弦波。非正弦波在公用电网中使电压波形畸变产生无功功率，通常很小的电压畸变则可能引起很大的电流畸变。同时非正弦波也会引起电网奇次谐波，谐波对公用电网来说是一种污染，它使用电设备处于恶劣的环境之下，带来不必要的热损耗。
通过调查研究和理论分析总结出谐波对公用电网和其他系统的危害：
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至引起火灾。
（2）谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热；谐波使电容器，电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐波，从而使谐波放大，使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会导致继电保护装置和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。
（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，严重时导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
正因为谐波有以上的危害，因此改善电网品质的谐波抑制技术受到越来越广泛地重视。
3 LC滤波与有源滤波的原理
（1）抑制电力谐波的传统方法是采用LC调谐滤波器。这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被电力系统广泛使用。这种方法的主要缺点是它的补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生谐振，导致谐波放大、LC滤波器过载甚至烧毁。此外它只能补偿固定频率的谐波，不能实现动态补偿，本质上是频域处理方法。尽管如此，LC调谐滤波器当前仍是抑制电力谐波的主要手段。
（2）抑制电力谐波的新技术是采用有源电力滤波器（APF）。有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其思路是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都畸变的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。因此，有源滤波既可以在频域中又可以在时域中对非正弦周期电流进行处理。有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流中的谐波分量后，將其反极性作为补偿电流的指令信号，再由补偿电流发生电路产生补偿电流，其中补偿电流与负载电流中谐波分量大小相等、方向相反，因而两者相互抵消，使得电源电流中只含基波不含谐波，达到消除电源电流中谐波的目的。用公式描述这一工作原理为：
4 有源滤波器的应用和发展
当今世界中从事有源滤波器生产的厂家主要有美国西屋电器、日本的三菱和德国的西门子。虽然有源滤波技术在国外得到了广泛的应用，但是在国内只有较少的几个样机投入使用。随着新技术的不断应用，有源滤波器在未来发展过程中会向着以下几个方向发展：①采用先进的PWM技术，实现对电网中高次谐波的有效滤除。当有源滤波器的容易低于2MVA时，可以采用PWM技术对其谐波分量进行补偿；如果超过5MVA，则采用GTO技术进行谐波补偿。②将有源滤波和无源滤波结合到一块，降低有源滤波器的容量，实现对滤波器成本的降低。其中有源滤波器完成对电网中低次谐波分量的补偿，无源滤波器实现对电网中高次谐波分量的补偿。③随着半导体技术的飞速发展，串联-并联有源滤波器的功能将会更加强大，其性价比也会降低。④采用单节点单装置的布置方式，实现对电力系统中多个节点谐波电压的控制，使电力系统谐波治理向着智能化的方向发展。
总之，有源滤波器对谐波的治理需要结合实际，因地制宜，通过优化方案，不断探索与创新，才能满足建设坚强电网的要求。
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