关于无源滤波器和有源滤波器的研究

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[摘 要] 本文介绍了谐波危害，分析了谐波控制方法

[关键词] 谐波 无功补偿 滤波器

工业发展和人民的居住水平改善，非线性电网电气设备的大量投运，造成电网谐波所占份额的比重越来越大。理想的情况下，供电质量应提供平滑的正弦波电流及电压，但在实际应用中的电源电压波形偏离出于某种原因，产生了谐波。谐波是指频率基波频率的整数倍（又称高次谐波的正弦波，频率为50Hz）。供电系统产生的基波非线性阻抗特性的电气设备（也称为非线性负载），如反应堆，气体放电灯，电炉等，非线性负载反馈的电源高次谐波，导致供电系统的电压和电流的失真产生畸形，从而影响供电质量。因此，谐波是电能质量的一个重要指标。

电网用户变压器组也是电网谐波的另一个重要来源，因为三相变压器铁芯构造形状不对称造成目前变压器励磁电流含有谐波分量。例如，大多数Y，yn 接线的配电变压器中，中相接的都是B相，统一接入方法的变压器线圈就会使3,5,7等次谐波提供了一个单独相互叠加的条件。有10KV变压器约为2000个用户，总容量是500kVA。这么多的变压器组又成会成为谐波的重要来源。又如电镀，水泵，空调，但其数量是非常大，因此不可忽视这一部分。 目前，谐波控制的常用方法不外乎就两种，分别为无源滤波和有源滤波。这里谈谈这两种方法，分析其经济效益，市场前景的优势和劣势。

我们首先分析第一种谐波控制方法，无源滤波器。为了筛选出在电网谐波，就有必要提供一个释放谐波路径，保留基波和谐波的短路，从而使谐波源设备的谐波流入直接通过滤波器，而不是进入系统。为此，可采用是一个LC无源滤波器，常用的单调谐滤波器，这是一个电容、电感和电阻的组合（如图a）。

通过设置其参数，使得谐波频率上装置的感抗和容抗数值相等，从而抵消所需要过滤掉的谐波，过滤器呈现出低阻抗调谐频率，过滤谐波频率可以顺利返回的谐波源，从而达到消除谐波。对于非调谐的基波和次谐波滤波器，则出现较高阻抗，影响不大。上述的过滤器，有一个组合是高通滤波器（如图b），它表现在对于某一频率以后的所有频率，都会呈现低阻抗，可以过滤掉各种高阶谐波。在实际工程中应用，在供电系统的谐波成分，通常被设置两套LC滤波器，一套为单调式谐滤波器，用于滤除较大谐波；另一套是高通滤波器，用于高次谐波实现减幅作用。

无源滤波器是作为传统的无功补偿及谐波治理的方法，具有维修方便、效率高、造价低、结构简单等优点，被普及使用。但是，无源滤波器的滤波性能不稳定，容易产生系统并联谐振，造成滤波器过载。此外，无功补偿的效果也差强人意。为此，迫切需要开发新的设备，以弥补这些缺陷。

第二种谐波控制方法为有源滤波器。谐波治理无功补偿装置的一个重要趋势是有源滤波器APFActive电力滤波器。它经过实时运算处理和实时检测电网电压和电流补偿控制指令控制主电路产生谐波补偿电流，这种电流相谐波滤波器电流幅值大小相位差为180°，因此相互抵消，使电网只包含基波分量。该过滤器可以改变并跟踪补偿系统阻抗，消除与系统阻抗或负载的谐振的风险。此外，该设备不仅可以补偿无功功率和和各次谐波，还可以抑制闪烁，具有高度的可控性和快速响应性。这是目前无功补偿和谐波治理的研究和发展的重要方向。在本质上，ＡＰＦ可以看作为一个大容量的谐波电流发生装置，通过实时跟踪补偿电网中的波形，可以在任意的频率，任意谐波的幅值与相位都可以过滤，完全补偿的无功功率。其中，如何准确检测谐波电流和无功电流，并把这信号作为有源滤波器的控制信号，同时实现谐波根治和无功补偿的关键问题。为了使滤波器能具有更理想的信号跟踪性能，有人认为，使用自适应推测理论，实验结果表明，这种方法的结果是显著的，可以达到预期的目的。 有源滤波器在我国已开始投入电网试运行，但还需要处理一些技术问题。如：大容量应用的主动滤波器的变频器的容量是如何达到最小，在现阶段有源滤波器研究和应用中，一个显著特征是混合型有源滤波器，即将无源滤波器和有源滤波器相结合。它将无源滤波器和有源滤波器通过耦合并联，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流，并经过无源网络注入电网，实现谐波补偿。因此，使用这种有源滤波器和无源滤波器组合器，既可弥补无源滤波器的缺陷既，又可以使有源滤波器容量降低，是一个很好的发展方向。