无源滤波装置的缺陷分析与改进方法

1、第26卷第2期2011年4月文章编号：1005-6548（2011）02-0116-05电力学报JOURNALOFELECTRICPOWERVol.26No.2Apr.2011无源滤波装置的缺陷分析与改进方法李璨，杭乃善，黄聪（广西大学电气工程学院，南宁530004）摘要：为了解决电力系统非线性负载的增多导致谐波污染日益严重的问题，对目前国内外电力系统广泛采用的无源滤波器的缺陷进行了研究。当系统为非线性负载供电时，由于系统阻抗较小，滤波器上没有谐波压降产生，使滤波器上的电流基本上为正弦电流，导致了其滤波效果较差；经过串联电感的方法来增大系统阻抗，使谐波电流在电抗上产生谐波压降，有效的改善了无源

2、滤波器的滤波器效果。这种改进方法高效、方便、简单、经济，易于在电力系统中推广使用。关键词：电力系统；无源滤波装置；缺陷分析；改进方法；串联电感中图分类号：TN713文献标识码：A随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力电子产品广泛的应用于电力系统各个领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的就是谐波问题。随着电力电子技术的发展，电力系统中增加了大量的非线性负载，特别是以开关方式工作的静止变流器和从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用，它是一种非线性时变拓扑负载，不可避免的会产生非线性波形，向电网注入谐波，已成为电网中的“公害”。系统中还有电弧炉、电

3、焊机、变压器、旋转电机等其他非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波，虽然单个的容量不大，但是由于数量很多，因此它们给电力系统注入的谐波不容忽视1。电能质量问题引起了电力工作者的广泛关注2-9。目前电力系统中进行谐波抑制的手段主要是装设滤波器，有源滤波器因其具有良好的动态补偿效果，在电力系统谐波抑制和无功补偿方面有良好的效果，但其安装容量受到开关器件水平和补偿性能的限制10-11，而且初期投资较高12。因此，国内外的电力系统仍广泛采用无源滤波器13，在系统侧安装无源滤波器加并联电容器方式进行谐波抑制和无功补偿。无源滤波器虽然能在一定程

4、度上满足系统滤波要求，但深入研究不难发现其存在很多不足之处14。目前很多电力工作者都在致力于研究新型的无源滤波方法15-21。基于此，本文着重分析无源滤波器的原理性缺陷，并提出简单、方便、经济、有效的改进方法。1无源滤波的设计原则简介滤波器的设计应在充分了解谐波源与其所接入系统（包括背景谐波）情况的基础上进行，使母线电压畸变率和注入系统的各次谐波电流符合规定要求，满足无功功率补偿的要求，并保证装置安全可靠与经济运行。目前，电力系统中常用的无源滤波器有单调谐、双调谐与高通滤波器，相应的拓扑结构如图1所示。图中（a）所示的无源滤波器，称为单调谐滤波器，由电容、电感与阻抗串联而成，它具有与某次谐波频

5、率一致的谐振频率，可用来消除该次谐波；（b）所示的为双调谐滤波器，对应于两个谐振频率，滤波器呈现低阻抗；（c）所示为高通滤波器，用来滤除某高次滤波及该次频率以上的谐波。本文讨论均以单调谐滤波器为例，其它类型相似，可以直接推广。先简要说明无源滤波器的设计原理：单调谐滤波器通常以调谐频率为出发点进行设收稿日期：2011-01-11作者简介：李璨（1989），男，硕士研究生，研究方向为电力系统分析与计算，（E-mail）raingxlc第2期李璨等：无源滤波装置的缺陷分析与改进方法117时为消除滤波对电网的影响，必须在网侧装设滤波装置。图1典型无源滤波器的拓扑结构计。令基波频率为f1（对应的角频率为

6、）1，对应于谐振频率，有：X1=.XLh=h1=hXL=XCh=h1Ch发生谐振的频率为：1.f0=hf1=2姨所消除的谐波的次数为：1f.h=0=11姨对于任意h次谐波，滤波器的阻抗为：Z（）=R+（jhXL-XC/h）.Fh图3滤波器未投入时的电压电流波形投入无源滤波器之后，通过调节滤波器中的可调电感的值，可以使系统电流波形达到最佳，此时的电压和电流波形如图4所示。2无源滤波器的实验验证及缺陷分析通过一个实验来观察传统无源滤波器的滤波效果，实验电路图如图2所示，系统提供的三相交流电经一个调压器供给一个三相二极管整流电路，在整流电路与调压器之间并入一组无源滤波器，整流电路直流侧接阻性负载。图

7、4滤波器投入后的电压电流波形图2滤波器实验原理图为验证滤波器的滤波效果，先将滤波器退出，观察此时的电压电流波形，用示波器记录调压器副边的电压、电流波形，并作波形分析（以a相为例），图中曲线1为电压波形，曲线2为电流波形。图3表明，在未投入滤波器时，由于三相整流电路非线性的工作特性，使系统电压和电流波形都产生了畸变，电流波形畸变更为严重，畸变率达到30.7%，主要为5次、7次、11次和13次谐波，此比较图3和图4可知，投入滤波器之后，系统侧电压和电流波形都有明显好转，更趋向于正弦，电流的畸变率减小到21.5%，其中5次谐波含量15.4%，7次为8.102%,11次为6.417%，13次2.539

8、%。可以看出，滤波器的投入对波形产生了一些影响，达到了一定的滤波效果，但是作用不够明显，仍不能满足电力系统的要求。上述表明，滤波效果较差是无源滤波器最大缺陷，下面重点分析这一原因：以5次谐波滤波器为例，当滤波器调谐在5次谐振时，忽略此时电阻的作用，满足：1.51L=1但如果频率低于5次谐波频率时，电容的容抗就会大于电感的感抗，滤波器呈现容性，即：对应于调谐频率，电容器与电抗器的阻抗相匹配，118电力学报第26卷滤波器呈现纯阻性。频率低于谐振频率时，滤波器呈容性；频率高于谐振频率时，滤波器则呈感性。可以得出，滤波器在基波频率下会呈现容性，对于基波电流和基波电压来说所有的无源滤波器均可等效为一个电

9、容器。这个等效意义十分重大，当我们在讨论滤波器在基波频率下的特性以及滤波器对基波产生的影响时，十分方便。我们知道，如果取电容的电流i和电压u为关联参考方向，电压电流关系（VCR）为：dqd（CU）dui=C.du成正比。也就是说，如果电容电压为正弦电压则电容上的电流就为正弦电流，如果电容电压为非正弦电压则电流也为非正弦。这表明电容上的电流和电压的变化率对于无源滤波器来说，如果滤波器上的电压为谐波电压则滤波器就会流过谐波电流，达到滤波效果，保持了系统有较好的正弦电流，如果滤波器上的电压为正弦电压，则滤波器就不能流通谐波。所以滤波效果的好差就决定于滤波器上的电压波形。再来分析滤波器上的电压：电力系

10、统中的系统阻抗与三相短路电流成倒数关系，即：1.众所周知：三相短路电流是一个比较大的电流值，则系统阻抗是一个比较小的值，在实际计If=结合上述两点分析，在系统阻抗较小的情况下，滤波器上的电压基本上为正弦电压，故滤波器流过的也为正弦电流。可以通过实验验证这种思想，在上述图2中，用示波器观察同一相的电流ia、i1、i2的波形，如图5所示。图5a相电路电流波形图中第一条曲线为系统电流ia的波形，第二条为整流电路电流i1的波形，第三条为滤波器支路电流i2的波形。可以看出，此时的i2基本为正弦波。这就表明目前的无源滤波器并没有达到预期目的，谐波电流并没有流入滤波器而是直接流入了电网。虽然谐波几乎没有被滤

11、去，但是系统侧电流波形畸变率明显减小，现分析其原因：根据基尔霍夫电流定律可得：投入滤波器之前，a相电流关系为：ia=i1.投入滤波器之后，a相电流关系为：ia=i1+i2.比较上述两式，整流负载不变，即i1不变，滤波器的投入会使系统电流增大产生一个附加电流i2，而且这个电流为正弦电流。电流谐波总畸变率THD定义为THD=Ih×100%.1算中，选取系统基准容量为100MV·A，当系统容量为100MV·A时，系统的电抗为：xS*=100/100=1；当系统容量为200MV·A时，系统的电抗为：xS*=100/200=0.5；当系统容量为无穷大时，系统的电抗

12、为：xS*=100/=0.当前的电力系统的容量都较大，所以系统等效阻抗非常小。当系统供电时，非线性负载产生的谐波电流很难在较小的系统阻抗上产生明显的谐波压降，近似是对负载正弦电压供电。这点从前面实验中也可以看出，当系统给整流电路供电时，系统电压只有很小的畸变。在这种情况下，系统就近似于一个正弦恒压源。式中，Ih为总谐波电流有效值。投入滤波器之后，Ih基本保持不变，而基波电流I1增大，所以电流总的畸变率减小，这就是目前电力系统无源滤波器的本质，是一种以容性无功基波电流覆盖谐波电流的方法，如果滤波器的容性功率越大，即系统提供的容性无功电流越大，这种覆盖作用会越明显。第2期李璨等：无源滤波装置的缺陷

13、分析与改进方法119比较图3和图4可得，在滤波器投入之前，整个负载呈现感性，系统电压相角超前于电流；投入滤波器之后，电流就会超前于电压。可见，系统提供的电流大部分为滤波器上的容性无功电流，只有小部分供给负载，这显然是一种不经济的而且滤波效果较差的方法。3改进的无源滤波器及实验验证通过以上分析，有必要对传统的无源滤波器进行改进，其缺陷的关键在于系统阻抗太小导致滤波器上谐波压降过小，从而影响滤波效果。可以考虑通过增大系统阻抗来改善滤波效果，最直接的方法就是在滤波器与系统之间串入一组电感来增大系统阻抗，实验电路图如图6所示。图7改进的无源滤波器系统电压电流波形图6改进的无源滤波器实验电路图用示波器观

14、察电压电流波形，图7中为系统侧的电压、电流波形图，可见电压和电流都更趋于正弦化，电流的畸变率仅为2.43%，滤波效果较好。图8中的第三条曲线为滤波器的电流，为高频谐波电流，这与为改进前的波形有很大不同，此时滤波器才真正有了滤波效果，为谐波形成了一条低阻抗通路。而且滤波器上的电流较小，系统的电流绝大部分供给负载，系统的电压、电流几乎保持同相位。通过上述分析，这种通过串联电感来改进无源滤波器效果非常明显，方法简单，成本低，串入的电感感抗很小，不会影响系统的正常运行，在现有图8改进的无源滤波器a相电路波形无源滤波器的基础上可直接进行改造，应用前景十分广泛。4总结（1）由于电力系统的阻抗较小，传统的无

15、源滤波器的滤波效果较差。（2）在电路中串入一组电感后，谐波会在电感上产生谐波压降，可以明显的改善无源滤波器的滤波效果。参考文献：1罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装置M.北京：中国电力出版社，2006.2VARRICCHIOS,GOMESS,MartinsN.ModalAnalysisofIndustrialSystemHarmonicsUsingtheS-domainApproachJ.IEEETrans.onPowerDelivery,2004,19（3）:1232-1237.3LIUYu，HONGH，HUANGA.Real-timeCalculationofSwitchingAngle

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