谐波治理的技术与方法

主动谐波治理和被动谐波治理是目前主要的谐波治理技术：前者为抑制谐波产生从谐波源本身出发；后者则主要对产生的谐波添加额外的谐波处理装置。

1.主动谐波治理技术

主动谐波治理即对电力装置本身进行改进，使其减少谐波的产生或不产生谐波，主要包括多相整流、脉宽调制整流、功率因数校正，具体方法如下：

（1）多相整流

多相整流即增加整流器的脉动数，常用的为十二脉整流。该方法产生的谐波次数为n=pk±1（其中p为整流脉冲数），谐波每次的有效值与谐波次数成反比，而谐波次数的倒数等于谐波与基波有效值之比。因此，整流脉动数的增加，能降低谐波次数和有效值，从而使整流器产生的谐波电流减少。

（2）脉宽调制整流

脉宽调制整流即PWM整流，通过脉宽调制可以使整流器网侧电流正弦化，并且使网侧电压和电流同相位，实现单位功率因数控制，从而减少整流器产生的谐波电流。PWM整流电路模型如图6-12所示，PWM整流具有降低整流负载注入电网谐波和提高网侧功率因数等优点。

图6-12 PWM整流电路模型

（3）功率因数校正

功率因数校正又分为有源功率因数校正和无源功率因数校正，主要通过整流装置后开关的闭合使网侧电压和电流同相位，增大功率因数，降低谐波电流含量。

2.被动谐波治理技术

相对主动谐波治理技术来说，其减少谐波产生的方法是通过改进电力电子装置的控制方式，而被动治理则是通过电能质量治理装置的安装来降低电网受到的危害。其电能质量治理装置主要有无源和有源滤波器两种。

（1）无源电力滤波器（Passive Power Filter，PPF）

无源滤波器（PPF）又称LC滤波器，是传统的谐波补偿装置，它主要包含电抗器、电阻器和滤波电容器三个部分。该装置采用并联方式与谐波源连接，消除一次或几次主要的谐波，但不能对谐波电流进行动态跟踪，此外，该补偿装置除了滤波外还起到无功补偿作用。该装置具有结构简单、设备投资少、运行可靠等优点，但也有着难以克服的缺点，如受电力系统参数影响，滤波次数单一以及体积大、能耗多等。因此无源电力滤波器在要求不高时优势明显并得到广泛应用。无源电力滤波器的几种主要类别为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等，而在实际中通常使用一组高通滤波器和几组单调谐滤波器组成的滤波装置。

图6-13 单调谐滤波器

a）电路原理图 b）阻抗频率变化关系图

1）单调谐滤波器

单调谐滤波器的电路原理图如图6-13a所示。n次谐波（w_n=nw_s）在滤波器上的阻抗为

式中，下标fn为第n次单调谐波滤波器。

根据式（6-33）中滤波器阻抗与频率关系，画出二者变化的关系图，如图6-13b所示。

由图6-13可知，单调谐波滤波器的构成是利用串联L、C谐振原理，其谐振次数n为

因为R_fn很小，另外谐振点处Z_fn=R_fn，所以n次谐波电流大部分由R_fn分流，只有少部分流入电网。而滤波器对于其他次数的谐波（如ZfnR_fn）的分流效果很小。因此，简而言之，单通滤波器通过将需要滤除的谐波次数设为自身的谐振次数，能够将大部分该次谐波过滤掉，从而实现滤除该次谐波的目的。

2）高通滤波器

高通滤波器也被称为减幅滤波器，图6-14所示为一阶、二阶、三阶和C型这四种形式的高通滤波器。

图6-14 四种形式的高通滤波器

a）一阶 b）二阶 c）三阶 d）C型

以上四种滤波器中，一阶高通滤波器由于电容要求过大导致基波损耗大幅上升，所以一般不建议采用。二阶高通滤波器在四种滤波器中性能最好，但其基波损耗高于三阶高通滤波器。三阶高通滤波器的主要优点在于相对二阶高通滤波器结构上多了一个相对C₁容量很小的电容C₂，提高了滤波器对基波频率的阻抗从而大大减少了基波损耗。C型高通滤波器的优点在于它通过将C₂与L调谐在基波频率上从而大大降低基波损耗，相应的元件参数漂移和基波频率失谐对其影响很大，而在滤波性能上C型介于二阶和三阶之间。

在上文中介绍的四种滤波器，二阶高通滤波器的使用最为普遍，此外C型高通滤波器的推广应用价值也很高。而对于二阶高通滤波器来说，其滤波器阻抗的计算公式为

图6-15所示为二阶高通滤波器阻抗∣Z_n∣随频率变化的曲线。在某一很宽的频带范围内可以看到该曲线呈现为低阻抗，使得高通滤波器成为次数较高谐波的低阻抗通路，从而使高次谐波电流大部分流入滤波器。

图6-15 二阶高通滤器的阻抗-频率特性

3）双调谐滤波器(www.xing528.com)

在一些工程中仅有单调谐滤波器和高通滤波器是不够的，还需要用到双调谐滤波器。该型滤波器的原理电路如图6-16a所示。由于该滤波器自身有两个谐振频率，所以能同时吸收两个频率的谐波，其作用与两个并联的单调谐滤波器相当。双调谐滤波器其阻抗-频率特性如图6-16b所示。

图6-16 双调谐滤波器

a）原理电路 b）阻抗-频率特性

与两个单调谐滤波器相比，双调谐滤波器基波损耗较小，全部冲击电压由仅有的一个电感L₁承受。双调谐滤波器中串联电路的基波阻抗在正常运行时远大于并联电路的基波阻抗，因此串联电路所承受的工频电压远高于并联电路。此外由于并联电路中电容C₂容量一般不大，基本上只有谐波无功容量通过。双调谐滤波器近年所获投资较少，因此只应用在国内外一些高压直流输电工程中。双调谐滤波器由于其调谐困难、结构比较复杂等缺点而制约了其广泛应用。

（2）有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）

有源电力滤波器（APF）是一种补偿无功、动态抑制谐波的电力电子装置，能补偿变化的无功功率以及抑制大小和频率都变化的谐波。通过控制主电路中的可控开关，该装置向电网输入与原来谐波电流等幅值、反相位的电流，从而使电源中的谐波电流为零，进而达到消除抑制谐波的目的。相比无源电力滤波器，有源电力滤波器有着动态补偿、受电网阻抗的影响小等优点。因而随着有源滤波技术的发展与完善，该方法广泛地应用于谐波抑制中。

有源电力滤波器系统的基本构成如图6-17所示。图中e_s表示交流电源，负载产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成，其中，补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。对于上述两大部分来说，前者的核心是检验与测量出补偿对象电流中存在的谐波和无功等电流分量信号，因此有时该电路也被称为谐波和无功电流检测电路。而后者的作用是根据前面的指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，从而产生对应的实际补偿电流。目前该滤波器主电路均采用PWM变流器。

图6-17 有源电力滤波器系统的基本构成

该装置主电路上的PWM变流器，在产生向电源输入的补充电流时作为逆变器工作，因此部分文献中直接将其称为逆变器。但仅称其为逆变器是不准确的，因为在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，该装置起着整流器的作用。简而言之，该装置可能工作在整流器或者逆变器两种状态下。所以，本书中以变流器作为该装置名称。

如图6-17所示，有源电力滤波器的基本工作原理是首先对补偿对象的电压和电流进行检测，然后经由指令电流运算电路对所需的补偿电流的指令信号进行计算，最后该信号通过补偿电流发生电路放大产生补偿电流。而产生的补偿电流能够抵消负载电流中的谐波及无功等电流，从而得到期望的电源电流。

例如，当负载产生谐波电流需要补偿时，有源电力滤波器通过检测得出负载电流的谐波分量i_Lh，将其谐波分量反极性后作为补偿电流的指令信号i_c^*，再由补偿电流发生电路产生与负载电流中的谐波分量i_Lh大小相等、方向相反的补偿电流i_c，使得补偿电流与谐波电流互相抵消，从而去除了电源电流i_s中的谐波分量。这样就能够实现抑制电源电流中谐波的功能。式（6-36）～式（6-39）很好地描述了上面的滤波原理：

i_s=i_L+i_c （6-36）

i_L=i_Lf+i_Lh （6-37）

i_c=-i_Lh （6-38）

i_s=i_L+i_c=i_Lf （6-39）

式中，i_Lf为负载电流的基波分量。

如果要让有源电力滤波器能同时补偿谐波与负载的无功功率，只需将与负载电流的基波无功分量反极性的成分增加到补偿电流的指令信号中即可。如此，补偿电流就能同时抵消掉负载电流中的谐波和无功成分，使得负载电流与电源电流的基波有功分量相等。

利用上述原理，不对称三相电路的负序电流等也可通过有源电力滤波器补偿。

当电动汽车充电站供电系统采用有源滤波器时，2～50次的谐波将得到有效的抑制。根据电网的情况，该装置能够对电压与电流波形的相位角进行调整，并且提高负载功率因数、修正电流波形，对谐波干扰进行抑制。有源滤波器除了滤除谐波外，同时还可以对无功功率进行动态补偿，该装置的优点是反应动作迅速，滤除谐波可达到95%以上。图6-18和图6-19所示分别为有源滤波器补偿前和有源滤波器补偿后的供电系统的电流波形。

图6-18 有源滤波器补偿前的供电系统的电流波形

总而言之，有源电力滤波器主要具有以下特点：

①能够对大小变化的无功功率和频率与大小均发生变化的谐波进行补偿，实现动态补偿，并且能极快地响应补偿对象的变化。

②无须储能元件，储能元件容量在补偿谐波时要求较小。

③能够同时对谐波和无功功率进行补偿，并且能够连续调节补偿无功功率的大小。

图6-19 有源滤波器补偿后的供电系统的电流波形

④在补偿对象电流过大时依然可以正常对电路发挥补偿作用。

⑤该装置工作时能跟踪电网频率的变化，故电网频率变化对其补偿性能无影响。

⑥电网阻抗对其影响不大，不易与电网阻抗产生谐振。

⑦可实现一个谐波和无功源单独补偿与多个谐波和无功源集中补偿两种补偿方式。

（3）混合型有源电力滤波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）

混合型有源电力滤波器（HAPF）能兼顾APF性能优越和PPF成本低廉的优点，工程上应用广泛。注入支路的存在使得注入式HAPF能大大降低有源部分的容量，因此该装置对高压配电网特别适用，并且无功补偿和谐波治理也能同时实现。图6-20所示为注入式混合型有源电力滤波器的拓扑结构。

图6-20 注入式混合型有源电力滤波器的拓扑结构