－－工业与建筑物电气系统谐波问题之三
1 引言
谐波问题日益明显，那种认为这是电力部门的事，工业与建筑电力系统来讨论谐波问题是自找麻烦。这是不对的，如果不顾gb的规定，用户发射的谐波量超标后，受害者还是用户自己，当然也恶化了电力系统，称之为电力公害，是很恰当的。由于电压型谐波源日趋增多，而常见的商品又是并联滤波器，因此本文着重讨论了二者是否匹配等诸多实际问题，以及中性线上采用三次谐波滤波器(串联无源滤波器spf的一种)的特殊问题，由于这些问题新而复杂，笔者一孔之见，难免错或偏，欢迎指正。
2 各种不同的谐波抑制措施
文献[1]中已说明iec有关谐波标准，对工程而言的限制量是指谐波电压，谐波电压uh=ih·xh，因此抑制措施可分为抑制谐波电流ih和降低谐波阻抗xh，抑制谐波电流首先是对单个设备的，经合成后可得系统的谐波电流，谐波阻抗是指系统而言的，如果采用这些措施之后仍然不满足，最后才考虑采用装设的电力滤波器。
2.1 抑制谐波电流的发射量
对于不同类型的设备，抑制措施是不一样的。
(1) 移相调压交流控制器
从文献[2]的表2可看出，可能的最大谐波电流值决定于负载的阻抗性质r/z和移相角的控制，这和要求的功率输出有关，不是电气工程设计者能决定的。如果可能的话，负载的接线尽量采用三相而且不引出中性线。
(2) 电流型谐波源(直流用大电感滤波)
根据文献[2]2.2节分析，抑制措施如下:
提高整流的脉动数是最主要的，三相桥是6脉动，谐波电流从5次起，大功率整流器可采用12或更大脉动数，则滤波电流至少从11次起，按公式ih/i1=1/h，谐波次数越高，谐波电流越小;
要有一定的平滑度，即滤波电抗值要足够大;
持电源电压三相平衡和整流设备三相的结构和性能的对称性，以避免出现非特征谐波;
如果有单独的整流变压器，而且经济上合算，则可将整流变的原边电压升级，由低压升到中压或高压，这在降低谐波电流的同时又降低了系统的谐波阻抗。
(3) 电压型谐波源(直流用大电容滤波)
工业用设备如交—直—交变频装置
按文献[2]2.3节表3所列数据，谐波电流的大小和用电设备接电源点的系统短路功率成正相关关系。因此，减少谐波电流的首选实用办法就是在变频器交流侧加一个交流电抗器，电抗值为4%左右，按笔者2001年了解的情况[3]，知名的国内外变频器生产厂中有些厂家已成套内装有电抗器，有些厂家说明可按要求对电抗器成套供货。增加线路电抗器后，除了能明显降低谐波外，尚有一些其它好处，但也有负作用，如变频器入口处的电压损失增加，装置的重量和造价增加。上述问题文献[3]有详细介绍。
如果一台配电变压器所带负载的大部分为变频器又全不设线路电抗器，估计谐波的总量将超标，工程设计者面对此种情况该如何决策呢？这个问题留在后面的滤波装置一节中去讨论。
日用电器
日用电器主要包括计算机和电视机等，单相220v电源供电，因此将有三次谐波电流产生，并在中性线上将其合成，这是其特点，也是很困扰的问题。好在无论gb[4]或iec标准都对单台设备的谐波发射量作了限制(不分谐波产生的机理)，产品如果获得了“3c”认证，则应该遵从了有关gb[4]的要求，即谐波的发射量在允许的范围内。单相的电压型谐波源按理在交流电源输入端加一电抗也应可减少谐波电流，但这是产品自身的设计问题。
2.2 降低系统谐波阻抗
由于uh=ihxh，xh是指谐波电压监控点上游的系统电抗，因此系统短路功率愈大时，系统电抗x愈小，因为xh与x是正相关的关系，虽然不是简单的比例关系，但是降低系统电抗不是轻而易举的，除非有可能对单独的整流变压器原边电压升级。此外，降低系统电抗和为每台变频器配一台电抗器并不矛盾，这是两个不同的概念，不可混在一起。
其次，从电学原理上来理解，并联无源型(lc型)电力滤波器ppf，对指定的滤波而言是一个很低的谐波电抗和系统的谐波电抗并联，降低了总谐波电抗，也就是滤波器的低的谐波阻抗吸引了大部分的谐波电流，使流过上游系统中的谐波电流大为减少。
3 滤波器
3.1 并联滤波器的滤波电路原理
原理详述可参看文献[5]，笔者用电路原理解释其滤波功能如下图1和图2所示。
图1 并联无源滤波器ppf 图2 并联有源滤波器
电流分布图 电流分布图
图1中: s—电源系统;
l—负载(全部谐波源负载);
ppf—lc型滤波器(无源);
paf—有源滤波器;
efa—有源滤波器产生的某h次谐波;
电势，数量上和ih·xfa相等，但方向相反;
ih—由全部负载l产生的某h次谐波合成电流;
xfp和xfa—无源和有源滤波器支路的
第h次谐波电抗;
ihs—流向电源系统的某h次谐波电流;
ihp和iha—流向无源和有源滤波器的电流;
uh—分支点的某h次谐波电压。
(1) 无源滤波器电路:对系统s产生的谐波电压
uh= ihs·xs=ihp·xfp
由于xfp＜＜xs，因此ihs＜＜ihp ih= ihs＋ihp，这样大部分谐波电流都流向滤波器，而其谐波 阻抗xfp很小，因此uh=ihp·xfp就可以限制到标准值以下。
(2) 有源滤波器电路:在其中可产生1个反电势其大小和iha·xfa相等(或极接近)但方向相反，因此uh= iha·xfa-efa=0。也就是说分支点的谐波电压uh=0，谐波电流全部流向有源滤波器，理论上流向系统中的谐波电流可为0，实际上不可能，据介绍，某工程滤波前后的谐波电流为:3次为28/2a,5次为358/3.5a,7次为86/3.6a。
3.2 滤波器的结构原理及特点
(1) 无源滤波器
以5次谐波的单调谐波滤波器为例，它由电感电容串联后并联在电网上，其结线如图3。
图3 lc滤波器结线图
若忽略电阻，其5次谐波阻抗最小时，滤波效果最好，理论上可使xhc=xhl即总谐波阻抗为0，此时5ωl=1/5ωc，ω为基波角频，l、c为电感电容值。经换算ωl= 1/25×1/ωc=4%×1/ωc，即xl=4%xc为可靠起见，往往取值比4%要大。
因此它有下列特点:
谐波为容抗，可用来补偿无功，但事先要加以考虑，否则过补偿会使母线电压升高;
有3次谐波，仍为容抗，3次谐波将通过此滤波器，因此必须并联装设3次谐波滤波器;
对5次谐波为低阻抗，略有感性，5次谐波电流可大部分通过;
对7次及更高次谐波为大电抗,无滤波作用;
电容，仍然有可能和系统的电抗对某次谐波构成振荡回路而放大电流;
滤波器一旦制成，性能参数难以变动，因此当电网谐波阻抗降低时，滤波效果将随之降低，当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波器过载。另一方面即使电网参数和谐波电流都不变，但由于温度变化，滤波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。此外滤波器的电抗电容值通常也会有容差即偏离其标准值±10%而增加了失谐度，也会降低滤波效率;
当电网短路容量大(即电源阻抗小)时，则要求滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是精确调谐(锐调谐)，但由于部件性能的容差和变动(如6条所述)使滤波器的设计有很大的困难;
周波变流器输入侧谐波频率成份复杂而且与输出频率有关。无源滤波器对此不能适应;
无源滤波器的最大特点是结构简单、结实、造价相对较低。
(2) 有源滤波器
有源滤波器的核心部分为逆变器，文献[5]有原理介绍，它产生和系统中各次谐波大小相等，相位相反的谐波电流注入到电网中，从而净化电网谐波。按电学电路原理，本文前面第2节和图2的解释能清楚地说明概念，因此关键是按谐波电压的相位产生一个和ih·xfa压降数值相等而方向相反的电势efa,理想状态下有谐波电流通过滤波器而没有电压降。因此利用电力电子装置，闭环控制efa的大小，就能快速调节通过的谐波电流大小。
由于有源滤波器利用数字闭环控制和电力电子装置，则滤波控制功能可以很完善，如可以选择滤去的谐波次数，最多可同时滤去20个谐波，可以选择滤波程度的目标值(绝对值或按比例)，可以选择有无无功补偿功能等等。
因此它的特点主要如下:
由于控制目标值稳定，且不受电网谐波阻抗变化的影响。也不会引发谐振;
应可以具备限幅功能，避免滤波器过载损坏;
和lc型滤波器相比，价格是高的。
4 滤波器的应用
4.1 无源滤波器
当前在工业与建筑电气系统中，绝大部分都是用的并联无源滤波器ppf这一种，串联无源滤波器spf只用在中性线上作过滤三次谐波用，在后面再详细讨论。
ppf用在谐波电流和无功负荷比较稳定的场合是合适的，注意点在前面中已有讨论，现在已有人在尝试将它用于负荷波动例如矿井提升机的变频调速装置近旁，措施是将例如5次谐波滤波器分成几组并联，根据5次谐波电流的大小来增减并联的组数，这同时也改变了无功补偿的能力，但是要注意带来的问题及解决办法。
4.2 有源滤波器
(1) 并联有源滤波器paf[6]［7］
