一种基于电磁耦合的无源电力谐波过滤方法

罗安伍，黄瑞先

(1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.南宁化工股份集团公司，广西 南宁 530004)

1 引言

电力系统中电压、电流波形畸变一直是人们关注的问题，并对波形畸变的原因及矫正方法进行了大量的研究。随着经济发展和科技的进步，大量高效节能负载的出现成为必然，这些灵巧用电方式的新型非线性负载带来了严重的谐波污染，也给以三相对称正弦为运行基础的传统三相交流系统的稳定经济运行带来了严重挑战。如何积极有效的利用由负载的电气特性产生的谐波，发挥谐波的自身作用来集中治理谐波是一个新思路，也是电力系统为满足千万用户随意用电的最高愿望而需要认真面对的一个重要问题。

2 目前谐波治理方法概述

当前谐波治理措施主要包括基于电力电子技术的滤波器和基于主电路元件的电气特性的滤波方式。以电力电子技术为基础的滤波方式以有源滤波器(APF)为代表，其基本原理是通过向电网注入一个与负荷谐波电流大小相等、但相位相反的补偿电流，与负荷电流叠加，使得电网侧的电流呈现出与电压波形相同的正弦状。提高电流补偿性能和控制精度，准确快速提取谐波电流是关键。由于有源滤波器一般都要由检测环节、计算生成PWM信号环节、IGBT等器件执行PWM指令环节等环节构成的技术复杂的谐波生成器，电子元器件固有的响应时延决定了APF所生成的补偿电流不一定就是我们所需时刻的电流;基于基尔霍夫定律的电流补偿思路，由于补偿电流产生相移后其补偿性能和精度将大打折扣。更何况，根据冲量定理，以PWM方式工作的有源滤波器都要在并联于电网的支路上设置有惯性环节——电感L。这样由PWM方式产生的补偿电流加至补偿点的速度不会达到极限的电磁速度。另一方面，以高频PWM方式工作的有源滤波器虽然能获得任意波形的补偿电流，但其补偿容量及可靠性将受高频方式及功率器件的限制，不适合于大功率场合应用。其与LC无源方式滤波的结合应用及大功率器件的应用等方法的研究成为当前APF研究的一个热点。

基于主电路元件的电气特性的滤波方式主要有LC无源方式和多脉整流方式。多脉波整流技术是按一定的规律将两个或更多个相同结构的整流电路组合，将整流电路进行移相多重联结，利用各整流负载的谐波电流相位差及其叠加合成后自身削弱或抵消原理的多相整流方式。多脉整流方式没有改变单个变压器的容量，只是改变其接线形式，材料利用率不高;一般来说只能形成一定角度的阶梯移相叠加，因而只能削弱或抵消电源输入端的部分谐波电流。

3 基于相间耦合的新型谐波过滤方式

LC无源方式是利用电容、电感的谐振特性将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，分别设计各特定频率的LC谐振电路，以达到对特定谐波电流的吸收或分流目的。它最大优点是结构简单、稳定可靠，且利用LC的储能电气特性进滤波基本不消耗有功功率，滤波成本较低，有较长的工业应用历史。目前在容量较大的谐波抑制中仍有广泛应用。无源滤波方式这些特点为我们指出了一个方向。在电力传输中，为提高输电的效率和减小损耗，电源的内阻抗一般较小。如能在谐波源与电网正弦交流电源间加入一滤波装置，等效的改变系统(电源)阻抗，充分发挥无源滤波方式的特点，就可获得一种简单可靠、经济高效、可适应大容量场合应用的无源滤波方式。这种方式就是串联具有电磁耦合的电抗器型滤波装置。如图1所示。

图1

图1的等效原理图如图2所示。

图2

显然由图1可得等效电路的电压方程如下:

一般来说，静止型的电磁感应装置，各绕组间的自感和互感是恒定的常数。计及绕组的自感和相间的互感，则可以得出绕组的磁链方程如下:

将式(2)代入式(1)，由于绕组自感和互感为常数，则得

由上式和图1、2可得:整流电路输入电压不仅仅与空载电压和电路的自感相关，还与相间互感存在关联。即，整流电路输入电压不仅仅与本相电流的变化率有关，还与其他两相电流的变化率有关。

由上面式子看出，由非线性负载引起的畸变电流i'变化率，产生畸变的相间感应电势，使得输出电压u'畸变，对于非线性负载的畸变功率用电特性p'=u'i'，就因电压u'的畸变促使i'正弦化。畸变电势与电流i'畸变变化率有关，电流畸变越严重，感应的畸变电势越大，在负荷恒功率特性下，波形矫正效果就越好。说明这种滤波方式可以适应畸变程度高的非正弦电流的过滤。

对上述原理分析进行实验，实验图如图1所示，实验波形图如图3所示。

图3 串联混合磁路电抗器三相整流实验波形图

通道1:交流相电压uan;通道2交流相电流ia;通道3:整流电压u'ab。

表1 交流电流电压部分主要谐波

在输电回路串联混合磁场的三相电抗器，由于混合磁场电抗器中畸变电势的作用，使其输出的负载端线电压畸变(通道3线电压波形)，线电压波形畸变程度的谐波表示列于表1，形成了电压电流波形互换以输送相同的畸变负载功率。这样，就使得交流电流正弦化，如图1的通道2波形，电流的正弦化程度如表1电流谐波含量，总畸变率THD－F=4.91%。说明根据功率平衡概念进行电流波形正弦化原理是可行的，也说明利用利用畸变感应电势形成畸变电压的方式是简单可行的。

显然，这种在正弦交流电源与负载间串联具有三相相间电磁耦合的电抗器的谐波过滤方式，是一无源方式的滤波。与传统的滤波方法相比具有以下特性:①充分利用了主电路元件良好的电气特性，在传输负载所需的畸变功率时，负载电流的变化形成空间旋转磁场，并在各绕组中感应畸变电势，使电流波形正弦化。这一过程具有自然的电磁反应速度，能对较高峰值的畸变电流具有可以说是极限的电磁响应速度，而通过先检测谐波电流再生成PWM波加到惯性环节上的有源滤波器是无法达到这种响应速度的。②消耗的有功功率仅为本身电阻性消耗和铁芯损耗，具有较高的运行效率。③利用负载本身的畸变功率抑制谐波，不需要复杂的控制，结构简单，经济可靠，可适用于大容量场合应用，有望作为谐波的集中治理措施。

把这种原理推广到变压器型式，并应用于六相整流，可在直流输电上发挥积极作用，也可为用户提供稳定的直流电能，有效解决谐波污染问题。

4 结语

本文对当前谐波治理方法作了一个简单概述，着重指出作为研究热点之一的有源滤波器由于具有信号检测和PWM生成等多个电子环节，其产生的补偿电流将有一定的时延，叠加后不可能达到所期望的补偿精度;据冲量定理，高频PWM波须加于惯性环节上才等效的发挥作用，惯性环节的存在决定了其响应速度不会达到电磁反应速度。而基于电磁耦合的串联电抗器型滤波方式不需要复杂的控制就有可能对较高的的谐波电流的抑制具有极限的电磁响应速度，同时作为一种经济可靠、运行效率高的无源方式的滤波，其可以适应大功率场合的应用，为谐波的集中治理指出了一个新的方向。

［1］ 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］ George J.Wakileh.电力系统谐波－基本原理、分析方法和滤波器设计［M］.徐政.北京：机械工业出版社，2003，37－40.

［3］ 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［4］ 吴竞昌，孙树勤，宋文南，等.电力系统谐波［M］.北京：水利电力出版社，1988.

［5］ 范瑞祥，罗安，李欣然.并联混合型有源电力滤波器得系统参数设计及其应用研究［J］.中国电机工程学报，2006，26(2)：106 －111.

［6］ 叶忠明，董伯藩，钱照明.谐波电流的提取方法比较［J］.电力系统自动化1997，21(12)：21 －24.

［7］ Chou C J，Liu C W，Lee J Y.Optimal planning of large passiveharmonic － Filters set at high voltage level.IEEE Trans on Power Systems，2000，15(1) ：433－441.

［8］ Y S Kim，J S Kim，S H Ko.Three－ phase three－ wire series active power filter，which compensates for harmonics and reactive power.Electric Power Applications，IEE Proceedings－ .2004，151(3)：276 －282.

［9］ 钟洪浩.新型混合有源电力滤波器研究.Ph.D.thesis，浙江大学，2005.