諧波抑制的工程設計方法探討

1前言

隨著大功率半導體電力變流器、變頻器等電力電子設備的廣泛應用，愈來愈多的諧波電流被注入了電網，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后，且諧波的消極影響越來越嚴重，因此，如何有效地抑制諧波是電力設計中的一項重要內容。

2諧波的危害

（1）增加了無功功率消耗和銅損

在電流波形畸變的情況下，電力系統的視在功率應為：

S2=P2＋Q2＋T2(1)

式中：S為視在功率；

P為有功功率；

Q為無功功率；

T為畸變功率。

由于諧波電壓和電流的頻率不同，其相角差隨頻率差作周期性變化，累計的功率之和為零，所以畸變功率具有無功功率性質。

諧波電流將使電力系統中的元件如電動機產生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動機總損耗增加，溫升增加及效率降低。電動機將多吸收無功功率，導致功率因數下降。

（2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上，使電容器的總運行電流增大，溫升提高，很容易發生過負荷以至損壞，導致使用壽命縮短。同時，諧波對電容器參數匹配產生影響，有可能在電網中造成高次諧波諧振，使故障加劇。

（3）由于諧波引起控制系統誤差造成觸發角偏移

及電流、電壓變化率過高，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置、自動控制裝置的控制失靈和誤動作，進而造成系統故障。

（4）持續的諧波含量過高，將加速變壓器、電動

機、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下，特別在瞬態過程中，還可能引起諧振過電壓。

（5）諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應耦

合，會在通訊線路中感應出相當大的諧波電壓，從而對通訊線路造成干擾，影響通信網絡的正常工作。

3諧波的抑制措施

根據GB/T1454993《電能質量公用電網諧波》的要求，必須對各種非線性負荷注入電網的諧波電壓和諧波電流加以限制。

在電力系統的設計中，加大系統短路容量；提高供電電壓等級；增加變流裝置的脈動數；改善系統的運行方式，如：盡可能保持三相負荷平衡，避免各類電磁系統飽和，錯開系統諧振點，由專門電路為諧波源負載供電等，都能減小系統中的諧波成份。但其中許多措施都會大大增加系統和設備的投資，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，設置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施，同時濾波器還能向系統提供所需的部分或全部無功。

圖1高次諧波等效電路

(a)接線系統(b)等效電路

圖2單調諧濾波器

(a)結構(b)y=f(δ)特性

圖3高通濾波器

(a)結構(b)阻抗頻率特性

整流器、逆變器等非線性負荷，因為其本身可以表示為產生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來表示高次諧波的等效電路。