－－工業與建筑物電氣系統諧波問題之三
1 引言
諧波問題日益明顯，那種認為這是電力部門的事，工業與建筑電力系統來討論諧波問題是自找麻煩。這是不對的，如果不顧gb的規定，用戶發射的諧波量超標后，受害者還是用戶自己，當然也惡化了電力系統，稱之為電力公害，是很恰當的。由于電壓型諧波源日趨增多，而常見的商品又是并聯濾波器，因此本文著重討論了二者是否匹配等諸多實際問題，以及中性線上采用三次諧波濾波器(串聯無源濾波器spf的一種)的特殊問題，由于這些問題新而復雜，筆者一孔之見，難免錯或偏，歡迎指正。
2 各種不同的諧波抑制措施
文獻[1]中已說明iec有關諧波標準，對工程而言的限制量是指諧波電壓，諧波電壓uh=ih·xh，因此抑制措施可分為抑制諧波電流ih和降低諧波阻抗xh，抑制諧波電流首先是對單個設備的，經合成后可得系統的諧波電流，諧波阻抗是指系統而言的，如果采用這些措施之后仍然不滿足，最后才考慮采用裝設的電力濾波器。
2.1 抑制諧波電流的發射量
對于不同類型的設備，抑制措施是不一樣的。
(1) 移相調壓交流控制器
從文獻[2]的表2可看出，可能的最大諧波電流值決定于負載的阻抗性質r/z和移相角的控制，這和要求的功率輸出有關，不是電氣工程設計者能決定的。如果可能的話，負載的接線盡量采用三相而且不引出中性線。
(2) 電流型諧波源(直流用大電感濾波)
根據文獻[2]2.2節分析，抑制措施如下:
提高整流的脈動數是最主要的，三相橋是6脈動，諧波電流從5次起，大功率整流器可采用12或更大脈動數，則濾波電流至少從11次起，按公式ih/i1=1/h，諧波次數越高，諧波電流越小;
要有一定的平滑度，即濾波電抗值要足夠大;
持電源電壓三相平衡和整流設備三相的結構和性能的對稱性，以避免出現非特征諧波;
如果有單獨的整流變壓器，而且經濟上合算，則可將整流變的原邊電壓升級，由低壓升到中壓或高壓，這在降低諧波電流的同時又降低了系統的諧波阻抗。
(3) 電壓型諧波源(直流用大電容濾波)
工業用設備如交—直—交變頻裝置
按文獻[2]2.3節表3所列數據，諧波電流的大小和用電設備接電源點的系統短路功率成正相關關系。因此，減少諧波電流的首選實用辦法就是在變頻器交流側加一個交流電抗器，電抗值為4%左右，按筆者2001年了解的情況[3]，知名的國內外變頻器生產廠中有些廠家已成套內裝有電抗器，有些廠家說明可按要求對電抗器成套供貨。增加線路電抗器后，除了能明顯降低諧波外，尚有一些其它好處，但也有負作用，如變頻器入口處的電壓損失增加，裝置的重量和造價增加。上述問題文獻[3]有詳細介紹。
如果一臺配電變壓器所帶負載的大部分為變頻器又全不設線路電抗器，估計諧波的總量將超標，工程設計者面對此種情況該如何決策呢？這個問題留在后面的濾波裝置一節中去討論。
日用電器
日用電器主要包括計算機和電視機等，單相220v電源供電，因此將有三次諧波電流產生，并在中性線上將其合成，這是其特點，也是很困擾的問題。好在無論gb[4]或iec標準都對單臺設備的諧波發射量作了限制(不分諧波產生的機理)，產品如果獲得了“3c”認證，則應該遵從了有關gb[4]的要求，即諧波的發射量在允許的范圍內。單相的電壓型諧波源按理在交流電源輸入端加一電抗也應可減少諧波電流，但這是產品自身的設計問題。
2.2 降低系統諧波阻抗
由于uh=ihxh，xh是指諧波電壓監控點上游的系統電抗，因此系統短路功率愈大時，系統電抗x愈小，因為xh與x是正相關的關系，雖然不是簡單的比例關系，但是降低系統電抗不是輕而易舉的，除非有可能對單獨的整流變壓器原邊電壓升級。此外，降低系統電抗和為每臺變頻器配一臺電抗器并不矛盾，這是兩個不同的概念，不可混在一起。
其次，從電學原理上來理解，并聯無源型(lc型)電力濾波器ppf，對指定的濾波而言是一個很低的諧波電抗和系統的諧波電抗并聯，降低了總諧波電抗，也就是濾波器的低的諧波阻抗吸引了大部分的諧波電流，使流過上游系統中的諧波電流大為減少。
3 濾波器
3.1 并聯濾波器的濾波電路原理
原理詳述可參看文獻[5]，筆者用電路原理解釋其濾波功能如下圖1和圖2所示。
圖1 并聯無源濾波器ppf 圖2 并聯有源濾波器
電流分布圖 電流分布圖
圖1中: s—電源系統;
l—負載(全部諧波源負載);
ppf—lc型濾波器(無源);
paf—有源濾波器;
efa—有源濾波器產生的某h次諧波;
電勢，數量上和ih·xfa相等，但方向相反;
ih—由全部負載l產生的某h次諧波合成電流;
xfp和xfa—無源和有源濾波器支路的
第h次諧波電抗;
ihs—流向電源系統的某h次諧波電流;
ihp和iha—流向無源和有源濾波器的電流;
uh—分支點的某h次諧波電壓。
(1) 無源濾波器電路:對系統s產生的諧波電壓
uh= ihs·xs=ihp·xfp
由于xfp＜＜xs，因此ihs＜＜ihp ih= ihs＋ihp，這樣大部分諧波電流都流向濾波器，而其諧波 阻抗xfp很小，因此uh=ihp·xfp就可以限制到標準值以下。
(2) 有源濾波器電路:在其中可產生1個反電勢其大小和iha·xfa相等(或極接近)但方向相反，因此uh= iha·xfa-efa=0。也就是說分支點的諧波電壓uh=0，諧波電流全部流向有源濾波器，理論上流向系統中的諧波電流可為0，實際上不可能，據介紹，某工程濾波前后的諧波電流為:3次為28/2a,5次為358/3.5a,7次為86/3.6a。
3.2 濾波器的結構原理及特點
(1) 無源濾波器
以5次諧波的單調諧波濾波器為例，它由電感電容串聯后并聯在電網上，其結線如圖3。
圖3 lc濾波器結線圖
若忽略電阻，其5次諧波阻抗最小時，濾波效果最好，理論上可使xhc=xhl即總諧波阻抗為0，此時5ωl=1/5ωc，ω為基波角頻，l、c為電感電容值。經換算ωl= 1/25×1/ωc=4%×1/ωc，即xl=4%xc為可靠起見，往往取值比4%要大。
因此它有下列特點:
諧波為容抗，可用來補償無功，但事先要加以考慮，否則過補償會使母線電壓升高;
有3次諧波，仍為容抗，3次諧波將通過此濾波器，因此必須并聯裝設3次諧波濾波器;
對5次諧波為低阻抗，略有感性，5次諧波電流可大部分通過;
對7次及更高次諧波為大電抗,無濾波作用;
電容，仍然有可能和系統的電抗對某次諧波構成振蕩回路而放大電流;
濾波器一旦制成，性能參數難以變動，因此當電網諧波阻抗降低時，濾波效果將隨之降低，當電網參數不變而諧波電流增加時，可能使濾波器過載。另一方面即使電網參數和諧波電流都不變，但由于溫度變化，濾波器部件老化和其它因素都會影響濾波器性能而降低效率。此外濾波器的電抗電容值通常也會有容差即偏離其標準值±10%而增加了失諧度，也會降低濾波效率;
當電網短路容量大(即電源阻抗小)時，則要求濾波器阻抗還要更小，即要求濾波器是精確調諧(銳調諧)，但由于部件性能的容差和變動(如6條所述)使濾波器的設計有很大的困難;
周波變流器輸入側諧波頻率成份復雜而且與輸出頻率有關。無源濾波器對此不能適應;
無源濾波器的最大特點是結構簡單、結實、造價相對較低。
(2) 有源濾波器
有源濾波器的核心部分為逆變器，文獻[5]有原理介紹，它產生和系統中各次諧波大小相等，相位相反的諧波電流注入到電網中，從而凈化電網諧波。按電學電路原理，本文前面第2節和圖2的解釋能清楚地說明概念，因此關鍵是按諧波電壓的相位產生一個和ih·xfa壓降數值相等而方向相反的電勢efa,理想狀態下有諧波電流通過濾波器而沒有電壓降。因此利用電力電子裝置，閉環控制efa的大小，就能快速調節通過的諧波電流大小。
由于有源濾波器利用數字閉環控制和電力電子裝置，則濾波控制功能可以很完善，如可以選擇濾去的諧波次數，最多可同時濾去20個諧波，可以選擇濾波程度的目標值(絕對值或按比例)，可以選擇有無無功補償功能等等。
因此它的特點主要如下:
由于控制目標值穩定，且不受電網諧波阻抗變化的影響。也不會引發諧振;
應可以具備限幅功能，避免濾波器過載損壞;
和lc型濾波器相比，價格是高的。
4 濾波器的應用
4.1 無源濾波器
當前在工業與建筑電氣系統中，絕大部分都是用的并聯無源濾波器ppf這一種，串聯無源濾波器spf只用在中性線上作過濾三次諧波用，在后面再詳細討論。
ppf用在諧波電流和無功負荷比較穩定的場合是合適的，注意點在前面中已有討論，現在已有人在嘗試將它用于負荷波動例如礦井提升機的變頻調速裝置近旁，措施是將例如5次諧波濾波器分成幾組并聯，根據5次諧波電流的大小來增減并聯的組數，這同時也改變了無功補償的能力，但是要注意帶來的問題及解決辦法。
4.2 有源濾波器
(1) 并聯有源濾波器paf[6]［7］
有諧波源同時要求電源非常干凈即為正弦波的場合，就不得不采用paf。對諧波電流頻繁變化而采用ppf又不能取得滿意效果的場合，也只能采用paf，防礙廣泛應用paf的唯一因素是它的價格。在技術性能上它是優異的。
(2) 串聯有源濾波器saf[6]［7］
對付電壓型諧波的最佳技術措施就是采用saf，它可以省去變頻器前面的線路電抗器，但由于它串聯在電路中間，要通過全部線路電流，而且一旦出現故障就會中斷供電。目前，國內尚無商品(包括進口品在內)面市。
5 并聯型有源濾波器的應用限制條件
美國對有源濾波的研制較早，自1970年已有文獻報導，而進入實用階段則是1987年左右的事，可一直(指1998年止)沒有文章討論并聯有源濾波器paf對電壓型濾波器的適用限制條件，見文獻[6]，該作者說不能盲目應用paf，它不是萬能的，不是萬金油。筆者查閱國內作者的有關paf的論述也幾乎全是產品研究設計方面的，關于paf的特性和應用條件方面的,只有文獻[5]的兩句話:“在多數情況下，paf主要用于補償可以看作電流源的諧波源”
文獻[6]的結論是:如果并聯有源濾波器paf對電壓型諧波源產生的諧波進行濾波而且變頻器的交流側線路總阻抗(以變頻器額定功率為基數的相對值zl%)很低的話，則會有下列嚴重不良后果(參見圖4):
圖4 對電壓源型諧波的paf基本原理圖
圖4中: is—電源電流;
zs—電源系統阻抗(相對值，基數同zl);
ic—paf產生的補償電流;
g—等值傳遞函=ic/il;
zl—諧波源的總等值阻抗包括前端外串入
的線路電抗器。
(1) paf對諧波而言是很低的阻抗，和zs并聯后，使等值總阻抗zs變小，使諧波電流il增加，如果zl也很低(趨近于0)的話，會使il明顯增加(此時paf有正反饋作用，此種場合使用無源濾波器，也會使諧波電流增加，但不會產生正反饋作用)，并使變頻器過負載。
電源電流中仍保留有諧波電流
文獻[6]用了一套方程式來說明上述結論，對方程式有興趣的讀者可參看原文。筆者更愿從電學原理上來理解。電壓型諧波源的內阻本身就低，在沒有外串線路電抗器的條件下，將低阻抗的paf并聯在交流電源系統的低阻抗zs上(它們對諧波源vl來說都是負載阻抗)，肯定會使諧波電流il增加(和不接入paf相比)，并使is保留較多的諧波電流，使paf的濾波效率惡化，達不到is中沒有諧波電流的預期效果。
文獻[6]還用現場試驗來證明，試驗的系統配置如圖5所示。
圖5 現場試驗的系統配置圖[6]
圖5中的lr、cr和rr形成一小的濾波器以減少paf產生的pwm開關脈沖，諧波源是60kw變頻器，paf是50kva商業產品。現場試驗結果列成表格如表1所示:(文獻[6]有示波圖，本文略)
表1 paf對電壓型諧波源的試驗后果
試驗結果與理論計算(略)相符合。
文獻[6]的結論是:為了達到要求的濾波效果，在變頻器前要串一個最少為6%電抗值的線路電抗器。如果不濾波，此電抗可減少;因為還有變壓器的電抗，后者的影響和變頻器的功率大小有關。在變頻器前串入線路電抗器的效果在文獻[2]表3中已有說明，表3中的rsc即線路電抗器相對值的倒數，6%即rsc為16.6(忽略電源系統的電抗，其值與xl相比可能很小)此時的i5/i1≈0.25。在筆者的另一文獻[3]曾建議串入的電抗值為3～5%，變頻器制造廠家也大都可成套配備并內置電抗值小于6%線路電抗器。這里沒有考慮paf，如果考慮到低壓電源系統配置有paf，相當于極大地降低了電壓型濾波源的負載阻抗(見圖3)，此時，在變頻器前串入一個至少為6%電抗值的線路電抗器就很有必要，除非paf是裝在變頻器的高壓側，則變壓器的漏抗可看作變頻器的xl，但是要考慮變壓器和變頻器功率比值的換算系數。變頻器前串入線路電抗器除了能降低諧波電流，使paf能發揮要求的濾波功能(電網電壓清潔)外，還有附帶的其它的好處[3]，如進一步降低變頻器中間環節大電容所引起的合閘沖擊電流，抑制變頻器和低壓系統的交互傳導騷擾，降低由于電壓和裝置參數不平衡引起的線電流不平衡，改善鄰近的功率因數的并聯電容器的工作條件，但也帶來一些缺點，除增加了變頻裝置的體積、重量和能耗，還使變頻器的端電壓降低，因此在美國并不推薦paf來補償變頻器的諧波電流，而是采用串聯有源濾波器saf，見文獻[7]，由于saf尚未在國內市場上出現，目前在國內，如果需要發揮paf補償電壓型諧波電流的性能優勢，串入電抗器是不得不采用的辦法。串入電抗器后采用paf對付電壓源型諧波電流還是合適的。
6 有源濾波器paf與無源濾波器ppf的并聯問題
問題的關鍵是:對并聯的期望目標是什么？這里paf雖然性能優異，但價格高，ppf價格相對便宜，但性能有限制，并聯之后能否取長補短發揮各自的優勢？這就是待討論的問題，且有待實驗驗證。
6.1 ppf并聯時的特性
為簡單計，以5次諧波為例，前面已談到，單調諧的ppf是l和c串聯，理論上對5次諧振，則有xl=4%xc,沒有了感抗或容抗，只剩下電阻(等值于l的銅耗加上c的介質損耗)，實際上，為了降低風險，往往是xl＞4%xc,因此對5次而言，它是感抗加上電阻的z5，它應該比電源系統的阻抗要少得多，否則就起不了對i5并聯分流的有效濾波作用，但是如果諧波參數不穩定，例如諧波頻率有可能小于250hz時，故z5又不可以很小。
6.2 paf并聯時的特性
這里也以5次諧波為例。所謂有源濾波器paf，系根據互感器濾波的測量，可以在paf內產生一個和負荷電流中的諧波電流同相位同幅值的諧波電流，從等值電路來看，在paf接入電源點沒有諧波電壓，這在前面已有解釋。從這個意義上來說，有電流沒有電壓就是沒有阻抗，它完全吸收掉負荷產生的諧波電流i5，一點也不流向系統，但是實際上由于paf的測量誤差，控制的時滯等因素的影響，不可能完全補償，但與ppf相比，濾波效率肯定是高多了。目前通常的解釋是paf向系統注入反向i5，筆者的解釋是paf吸收負荷電流中的i5，解釋說法不一，但效果一樣，即系統中沒有了i5，故paf是很低的阻抗z5。
6.3 按濾波的諧波次數分工負責處理[7]
將ppf和paf并聯后，由無源的ppf負責過濾較高次諧波，而由paf過濾較低次如5次、7次諧波，這可以降低paf裝置中pwm技術的開關頻率，從而降低技術難度。但是現在的paf市售商品已可以補償高至50次諧波，同時過濾的諧波達20種而并不需要ppf的支持，再則較高次諧波在整個諧波電流中所占比例量小，所以ppf和paf這樣分工不會帶來經濟上技術上的好處。
6.4 大諧波電流中的恒定部分由ppf處理，其波動部分及其它小諧波電流由paf處理。
這是一種設想，能否實現還得由產品廠家試驗后認可，因為現有商品paf并未考慮這種并聯應用。美國是開發paf最早的國家，所見他們的論文中，并沒有提及這種方案。不是不可以并聯，而是并聯后的技術指標受到ppf的限制，道理很簡單:并聯后，為了要使ppf能分流，必須提高paf的等值阻抗，這豈不是劣化了paf的優異性能。雖然劣化了有時也是可以接受的。當然，現在不必忙于結論，可以繼續研究、試驗、論證。
7 并聯濾波器的配置點及配置原則探討
現已有主張集中濾波和就地分散濾波相結合，即將單點量大的諧波就地過濾，同時將多點的量小的諧波集中設置過濾，愿望是好的，但不是技術上難度大，就是經濟上也不一定合算，故提出此原則對同一電壓等級來說似乎為時尚早。
7.1 濾波器并聯在同一電壓等級上
對低壓來說，似乎并無必要，因配電變壓器功率有限，低壓網絡覆蓋的面積也有限，因此分散裝置在技術上經濟上得不到補償。
對中壓來說，無論高壓/中壓變壓器的功率和中壓網絡的范圍均有很大增加，集散布置有了可能，如全部采用paf，則要慎重選擇配置點，否則，反而會增大諧波電流和諧波電壓(由于諧波電流的環流)［8］。這個方案，對我國尚不現實。
如果全部采用ppf，則很難達到預期效果，分散配置的ppf很可能不是輕載就是過載，而且可能引發多重諧振，即濾波器之間的或濾波器與電源系統間的，因而技術上有難以克服的障礙。如果混合采用ppf和paf，則因其并聯如前所述已有困難，故目前也尚不現實。
7.2 濾波器并聯在不同電壓等級上
具體來說就是:當諧波源是低壓時，并聯濾波器設置在低壓和中壓應如何考慮。如果將濾波器設在中壓上，低壓的電壓質量還不符合標準時，則理應在低壓側設置濾波器。如果低壓側的諧波量雖然大，但低壓的電壓質量尚可，需要的話，此時的濾波器宜設在哪一側呢？筆者認為應該考慮在低壓側設置的可行性，因為:
(1) 低壓濾波器ppf和中壓電源系統之間，串有配電變壓器，它的漏抗是電源系統電抗的主要成分，要判斷它和ppf之間是否有串聯或并聯諧振比較容易;
(2) 低壓ppf比中壓的ppf造價要低，而運行要可靠;
(3) 降低了諧波對配電變壓器及低壓配電系統的騷擾，因而其可靠性及壽命均有提高;
(4) 兼顧了低壓側的無功補償，符合分級補償無功的原則，降低了變壓器的負荷率。
8 有源濾波器在美國應用的簡介與發展趨勢［9］
據報導:1000kw以下的一些非線性負載的補償已成功實施并在現場運行，更大一些負載的有源濾波器，也有文章介紹，這些都是用寬帶頻pwm逆變器構成的。表2列出了最新技術成果的一些有源濾波結構的定額和開關頻率要求。
常規串聯或并聯型不適用于大功率是由于其逆變器定額較大，因而出現了混合型，混合并聯型優于混合串聯型是因為它要求的保護功能和開關裝置較簡單，特別對大功率應用是如此。混合并聯型還可明顯的改進現有的無源濾波器的性能，文獻[7]也介紹了許多種混合方案及其性價對比。對于更大功率特別是10000kw及以上的應用，則表1的方案由于大功率pwm逆變器的價格高以及開關頻率高的要求而不合算，無源濾波器又由于性能欠佳可能難以滿足諧波標準的要求，因此美國已在尋找其它替代方案，例如dhaf系統，文獻[9]介紹了該系統的試驗驗證情況。
表2 有源濾波器結構的逆變器定額及開關頻率
9 對我國開發研制濾波器的建議
美國是研制有源濾波器最早的國家，可獲得的技術論文也最多，其經驗值得研究;歐洲也有常規并聯型的產品在我國出售，但不易獲得其技術論文。
我國已有國產的常規并聯型有源濾波器產品，在提高并穩定性價比的基礎上，也宜考慮混合并聯型的研制，以適用較大功率的應用。
對無源濾波器，在改善其性能上宜進一步做工作，例如采用下列措施:
(1) 精選性能穩定的參數和溫度、老化等關系較小的部件;
(2) 精選參數容差盡可能小的部件，如果是自制部件，盡量在設計選用材質和加工精度等方面加以控制;
(3) 盡量使濾波器產品參數規格化系列化，并在樣本中標明,如:
額定電壓;
額定基波電流;
單調諧額定諧波電流;
基波電壓下無功補償容量;
l、c的標稱值和實際值的容差范圍和變動范圍;
單調諧諧波下的濾波器電阻值的容
差值和變動范圍;
其它必要的特性參數。
(4) 為了符合市場規律，濾波器的價格可以多檔化，要求性能參數嚴格的，可以要求較高的價格。
10 中(n)線諧波電流對策
n線上的諧波電流，當三相負載對稱時(大多情況如此)，只有3次、9次(忽略15次及以上)，先討論3次，對策的辦法如下:
10.1 a、b、c各相分別設置有源或無源濾波器，條件是三相的諧波值基本上相等。
10.2 在回流到變壓器的n線上裝設thf三次諧波濾波器。
thf是串聯在n回路中的，因此其三次諧波阻抗應盡量大，使i3盡量小，而基波阻抗盡量小，以免防礙tns系統中單相短路保護的動作。優點是:不論諧波在哪個相上，有一臺thf就足夠，設備數量最少。注意點是性能要穩定，特別是基波阻抗是和單相短路保護直接相關的。
10.3 采用k系數變壓器
美國有此產品標準，其結構特點有3點[10]:
(1) 中性線按200%相母線定額;
(2) 異形繞組導體截面以降低諧波引起的附加銅耗;
(3) 特別設計的鐵心以降低鐵損。據從沈陽變壓器研究所獲悉，尚無擬制產品標準的意向。筆者認為，技術上可能，經濟上不一定合算，這是由于應用量不大且有替代辦法，例如降低普通變壓器在諧波騷擾下的定額或采用濾波措施。
10.4 變壓器繞組接線以dyn代替yyn[11]
(1) 低壓系統中3次諧波電流的大小在本文第2節中有計算的方法介紹，但沒有提到諧波大小和變壓繞組接線的組別有關系;
(2) 變壓器是低壓系統諧波源的負載，變壓器繞組為yyn接線時，高壓側不能流通3次諧波電流，但鐵損大，dyn接線變壓器的高壓△接線繞組可環流三次諧波電流，鐵損小了，但銅耗大了。總之對降低諧波干擾而言，dyn接線并不是解決問題的辦法。
10.5 單體設備的emc性能應符合gb的要求
也就是下列兩個gb:
(1) gb17625.1-2003(idt iec6100-3-2∶2001)電磁兼容限值，諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16a);
(2) gb/z17625.6-2003(idt iec6100-3-4∶1998)電磁兼容 限值 對額定電流大于16a的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制。
這兩個gb對用電設備各次諧波(包括了3次)的發射量作了限值規定,產品如獲得3c認證,理應符合上述gb。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
