并联混合型有源电力滤波器中无源滤波器设计与优化

【摘 要】当前社会，随着电子产品的普及，人们对电的依赖越来越严重，电在给人们带来便利的同时也产生了一些副作用。电力谐波就是其中的一种，本文首先介绍了传统电力谐波产生的原因及其危害，然后提出传统电力谐波的治理方法，最后提出无源滤波器设计与优化。论述解决电力谐波的优化方法，以期对后面的研究者提供帮助。

【关键词】并联混合型；无源滤波器；设计优化

引言：当前，随着经济水平的提高，无论是生活上还是工业上，人们都已经离不开电的需求。电在给我们的生活生产方式带来便利的同时，也出现了一些问题。由于基波电流发生畸变产生电力谐波就是其中主要的一种，作为电生产过程中的一个副产品，电力谐波会使得发电设备和用电设备的铜损失和铁损失增加，使电力设备因为长期过量发热导致损坏，使电力设备达不到应有的设备使用年限，造成浪费。而且，容易发生电网线损增加，局部过热，电线老化速度加快等现象，给广大人民的生命财产安全造成威胁。因此必须对谐波进行处理，使其谐波分量能够达到国家的标准。

1电力谐波产生的原因

1.1发电源产生电力谐波

要想让发电机不产生谐波，就得保证三相绕组绝对对称，但是因为技术难度大以及发电机中的三相绕组制作工艺复杂导致很难做到。而且，让铁芯做到绝对的均匀也不是一件容易的事情。因此，发电机在发电的时候会产生有害的电力谐波。

1.2输配电过程产生电力谐波

在电力运输和分配的过程中，经常会利用高压传送低压分配电力的方式传送到用户手中。因此在这一过程中少不了一个重要的电力电压转换设备变压器。因为变压器数量众多，不得不考虑经济性，在设计变压器的时候，工作磁密往往不在磁化曲线的完全饱和度上而是维持在一个近似饱和的程度，那么问题就随之而来，磁化产生的电流波形变为尖顶形状。因此，在变压器进行电压转换的过程中会产生有害的电力谐波，主要以奇次谐波为主。其中磁路的结构以及磁密的饱和程度会对谐波的大小产生影响。

1.3用电器产生电力谐波

用电器产生谐波的种类很多，包括的范围也比较广泛，主要分为三种类型。变频装置，这种设备产生的电力谐波因为采用相位控制的原因导致成分非常复杂，除了常见的电力谐波外，还包括分数电力谐波，而且，随着功率和变频调速的变大，产生的电力谐波危害也逐渐变大。电梯就是最具有代表性产生电力谐波的变频装置。气体类电源灯，它们具有很强的非线性，容易产生奇次电力谐波。常用的家用电器也是产生电力谐波的重要一部分，尽管他们单个产生的电力谐波数量不多，但是家用电器的总量非常夸张，因此由家用电器产生的电力谐波数量也不容小觑。

2电力谐波的危害

电力谐波在国家规定的范围内，所能造成的影响非常小，不会产生什么危害。但是一旦谐波超过国家所规定的标准值，将产生非常严重的后果。举个简单的例子，工厂内使用少量节能灯会产生良好的收益，既节约电费，又提高照明效率。但是倘若不进行电力谐波处理又使用大量的节能灯后不仅起不到节约资本、增强照明的效果，反而还会因为大量节能灯产生谐波引起局部电网发热，损害节能灯，浪费电费。电力谐波的危害在工厂中还主要体现在会对工厂精密的仪器造成影响，产生误差，产生实际用电量和用电显示量不相符合的现象。继电器会因为电力谐波的存在失去它的保护作用。电机等带线圈设备会因为电力谐波的存在导致不能达到额定功率，造成资源的浪费。接入该电网中的各种设备都会因为电网局部过热造成损耗加快，甚至发生失火，对人们的生命财产安全而言具有严重的威胁。

3传统电力谐波治理方法

3.1无源电力滤波器

无源电力滤波器就是将电容器和电抗器进行串联后，将其构成的串联电路并联到处理谐波设备中。然后对需要处理的谐波次谐振点进行设置，达到滤除谐波的目的。无源电力滤波器最大的优点就是它的成本非常低，能够满足一般用户的需求，多流通于私有的中小型企业当中。中小型企業管理者对于谐波的危害认识大多不足，不会动用大量的公司财产来对这种看不见的电力谐波危害进行专门的治理。但是无源电力滤波器滤波的效果一般，通常为低压电力谐波的处理方式。由于其价格便宜，国家对电力谐波管控严格，尽管处理效果不好，但为了避免罚款，一些中小型企业仍然会选择用无源电力滤波器处理电力谐波。

3.2有源滤波器

有源谐波滤除器是以无源电力滤波器为雏形进行开发设计的，有源谐波滤除器是在使用电力电子元件的情况下形成电路。其原理主要是抵消电力谐波，即通过有源谐波滤除器产生与原有电力谐波同频同幅但是相反的电力谐波对供电设备以及用电设备产生的电力谐波进行中和，达到去除电力谐波的目的，它最大的优点就是对电力谐波的过滤效果非常好，在特定的条件下，甚至能够达到完全过滤的效果。但是，其设备安装的要求很高，制作技术也相对来说比较复杂，受到电力电子元件的限制。中小型企业一般不会使用这种昂贵的有源谐波滤出器，通常是在受电力谐波影响较大的计算机以及使用较多的供电系统中使用这种有源谐波滤除器。

4无源滤波器优化设计

4.1设计理念

电力谐波的产生通常是因为在进行电气设计的时候电谐波的处理方法不够优化造成的，要想减少电力谐波出现的机会，就得从源头开始，做好顶层设计。根据电力谐波产生的原因可知，在发电过程中产生的电力谐波最多、危害最大。而且，电力谐波在进行处理的时候要想达到最优的处理效果，没有一个固定的处理方法，要根据实地的测试情况，进行多目标的最优化求解过程，不能采用一次得出解决方案永久使用的方法。据此本文对无源滤波器进行优化设计。

4.2 结构设计

并联混合型有源滤波器系统结合了无源电力滤波器和有源滤波器二者的优点，本文的结构设计是在二者的结合上提出优化方案。用来达到减少电力谐波出现的目的。对于并联混合型有源滤波器系统而言，不但具有无源电力滤波器的优点，同时还具有有源滤波器的特点，可以说是对二者优点的有效结合，但是在该系统中，也有一些问题需要解决。比如，对于补偿装置的多元化功能，有缘电力滤波器就无法完成这个任务。为了解决这个棘手的问题，在实际的应用中，达到中和电力谐波的目的，应该对混合型有源电力滤波器进行优化，并进行并联操作，利用无源滤波器完成补偿，从而达到中和大多数电力谐波的目的。这样有源电力滤波器所需处理的电力谐波数量就会大大减少。单调谐支的数量越多，补偿装置的容量就会减少许多，但是这样会使所需的成本大大提升，不能满足经济效益的原则，本文中采用两条支路的方案，既经济又能满足要求。在实际情况的处理中要在考虑经济效益和处理效果的基础上进行选择。

结束语：在近年来的发展过程中能够明显发现，在供电系统以及用电设备方面，谐波带来的危害越来越强，已经引起了人们的普遍重视。传统的治理方法存在着一定的不足，并联混合型有源电力滤波器成为电力谐波治理的主要治理措施，对治理谐波危害明显。本文主要针对其中的无源滤波器部分进行设计与优化。希望通过本文的研究能够在一定程度上减少谐波造成的危害，让电能更好的为人们服务。

参考文献：

[1]蒋正荣，孙振坤，陈浩男，张劲东.串联混合型有源滤波器研究现状及展望[J].磁性材料及器件，2019，50（03）：58-62.

[2]李广兵，蒲玉兴.并联型有源电力滤波器新型谐波检测方法研究[J].电力电容器与无功补偿，2018，39（04）：7-11.

作者简介：

贺运礼，男，山东单县，汉，1981年8月，大专，研究方向：电力电子。

（作者单位：山东华天电气有限公司）