专家沧述 电能质量控制与电力谐波治理 李建明 （山东山大华天科技股份有限公司，山东济南２５０１ ０１） 摘要：本文对电能质量的定义、电能质量问题的危害、电能质量特性以及电能质量控制技术和设备做了 全面的阐述。另外，文中还对电力谐波治理有关的诸多问题做了详细的介绍。 关键词：电能质量控制；电力谐波治理 Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ＬＩ Ｊｉａｎｍｉｎｇ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｈｏｔｅａｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｆ ｉｔｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｍａｎｙ ｉｓｓｕｅｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｙ ｔＣｏｎｔｒｏｌ；Ｐｏｗｅｒ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ 中图分类号：ＴＭ７１４．３，ＴＮ７１３ 文献标识码：Ｃ 文章编号：０２１９—２７１３（２０１０）１ １－０００１．０７ １电能质量控制 １）电能质量概念简介 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交 流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的 频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时， 也就产生了电能质量的概念。 特别是随着国民经济和科学技术的发展，微 电子器件与电力电子技术的广泛应用，对电能质 量的要求越来越高，电能质量问题逐渐引起普遍 重视。其原因主要有以下几方面： （１）大量基于计算机的控制设备和电子装置投 入使用，其性能对电压质量非常敏感； 在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大 小相等、相位对称。但由于系统中的发电机、变 （２）大量基于电力电子技术非线性负荷广泛应 压器和线路等设备并非理想，且负荷性质多变， 用，导致系统谐波水平不断上升，从而对电力系 统的容量和安全运行产生影响； （３）电力用户不断增长的电能质量意识，迫 使电力公司提高供电质量，设法解决诸如电力中 断、电压跌落和开关暂态等各种电能质量问题。 加之手段的局限性、外来干扰和各种故障等 原因，这种理想的状态并不存在，因此在电网运 行、电力设备、供用电环节中会产生各种问题， 收稿日期：２０１０－－０８—０２ ２）电能质量问题的危害 第１３卷第１１期 ２０１０年ｌ１月 鼋潦彳乏术，《；阕 ＰｏＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖ０１．１３ ＮＯ．１ ｌ ＮＯＶ ２０１０ 电能质量问题会产生诸多危害，诸如导致 设备工作异常、产生废品，计算机复位、数据丢 失，设备效能降低、寿命缩短、过热、烧毁，电 容器击穿损坏、功率因数下降、设备容量下降， 电力损耗增加、付出更多电费等等。 电能质量问题导致的损失可能是巨大的。 例如：一个计算中心瞬间失电就可能破坏几十个 小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失； １～２周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产 线，导致上百万美元损失。据统计美国因电能质 量问题造成的损失每年高达２６０亿美元。２００５年由 国际铜业协会（中国）主持的一次“中国电能质量行 业现状与用户行为调研报告”中，调查了３２个行 业共９２家企业，其中有４９家企业，因电能质量问 题，在经济上损失达２．５～３．５亿元。 ３）电能质量的确切定义 目前国内外对电能质量这一术语及其内涵已 达成共识，但是对电能质量确切的定义尚未形成 统一的共识。由于人们看问题的角度不同，迄今 为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认 识，还不能给出一个准确、统一的定义。使用比 较广泛的几个定义如下： 定义１：合格电能质量的概念是给敏感设备提 供电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工 作。 ——ＩＥＥＥ标准化协调委员会给出的电能质量 （ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ）的技术定义 定义２：电能质量是指供电装置在正常工作情 况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。 ——ＩＥＣ（１０００－２－２／４）标准中给出的电能质 量定义 定义３：电能质量定义是指在电力系统中某一 指定点上电压的特性，这些特性可根据预定的基 准、技术参数来评价。 ——国际电工委员会（ＩＥＣ）给出的电能质量定 义 根据定义３，可以认为电能质量就是电压质 量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值 的正弦波形电压与连续供电。 然而，优质电能是由发电、供电、用电三方 ２ 共同保证的。实际上，发、供电系统只能够控制 电压的高低和频率，而不能控制某一负载汲取电 流的大小和波形。系统在实际运行时，电压与电 流之间总是存在着不可分割的紧密联系，尽管发 电机提供了几乎纯正弦的电压，但通过系统阻抗 的电流可能造成对公共连接点电压的扰动，而使 之变化。如：短路电流可能引起电压的跌落，或 者完全消失；雷电电流注入系统引起冲击电压； 谐波源负荷注入的畸变电流流经系统阻抗时会使 母线电压发生畸变，导致电力用户承受非正弦波 电压等等。因此，大多数电能质量问题并不是源 于电能的生产过程，而是源于电能的输送、分配 和使用过程。除自然因素和配电操作导致的问题 外，电力用户是导致各种电能质量问题的重要因 素。 ４）电力用户负荷对电能质量的影响 用户负荷可能对电能质量产生多方面的影 响，例如：三相负荷不平衡可导致三相电压不平 衡；低功率因数负荷可导致电压偏移；负荷冲击 与波动可导致电压波动与闪变；非线性负荷产生 的谐波电流可导致电压波形畸变等等。 由于非线性、冲击性或不对称负荷等扰动负 荷接人电力系统，造成了大量的电能质量问题， 不但影响公用电网的安全运行，还对各种电力用 户的用电过程造成直接与间接的危害。因此，在 更广泛的意义上讲，电能质量还应包括电力用户 对电能的使用质量，其本质是用户电力负荷从电 网汲取电流的质量。很多情况下，用户设备导致 的电能质量问题，对配电设施、其它用户以及用 户自身都造成了不良影响。因此，对电能质量的 评价与控制应包括电压和电流两个方面。也正因 如此，国际国内关于电能质量标准几乎无一 例外地包含对这两个方面的。 ５）电能质量更为广泛的涵义 电能质量更为广泛的涵义包括： 电压质量：以实际电压与理想电压的偏差来 衡量，反映供电企业向用户供应的电能是否合格 的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题， 但不能包括用电设备对电网电能质量的影响和污 染。 电流质量：以电力负荷电流波形的畸变率和 与供电电压的相位差等指标来衡量，反映用电设 备对电网电能质量的影响和污染。这个定义有助 于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括 大多数因电压原因造成的电能质量问题。 供电质量：其技术含义是指电压质量和供电 可靠性；非技术含义是指供电企业的服务质量。 用电质量：其技术含义是指电流质量；非技 术含义是反映用电方的权利、责任和义务。 ６）对电能质量的定量评价与电能质量标准 对于电压质量，通常用相对于预定基准的偏 离程度来作出定量评价，主要包括：频率偏移、 长期电压偏移、短期电压偏移、电磁暂态、三 相不平衡、波形失真、电压波动和闪变等几个方 面。 目前我国关于电能质量的国家标准主要有以 下６个： ＧＢ／Ｔｌ５９４５—１９９５电能质量电力系统频率 允许偏差； ＧＢ１２３２５一ｌ９９０电能质量供电电压允许偏 差； ＧＢ／Ｔ１４５４９一ｌ９９３电能质量公用电网谐 波； ＧＢ／Ｔ１ ５５４３—１ ９９５电能质量三相电压允许 不平衡度； ＧＢ １２３２６－－２０００电能质量电压允许波动和闪 变 ＧＢ／Ｔ１８４８１－－２００１电能质量暂时过电压和 电能质量暂时过电压和 瞬态过电压。 以上标准从６个不同方面对电能质量相对于 预定基准的允许偏差作出了限定。例如：（（ＧＢ／ Ｔ１５９４５－－１９９５电能质量电力系统频率允许偏差）） 规定：电力系统频率允许偏差一般不得超过± ０．２Ｈｚ，最大可放宽至±０．５Ｈｚ； ＧＢ１２３２５— １９９０电能质量供电电压允许偏差 规定：１ＯｋＶ 以下三相电压允许偏差为±７％，２２０Ｖ单相电压 允许偏差为－Ｉ－７％～一１０％；（（ＧＢ／Ｔ１４５４９－－１９９３ 电能质量公用电网谐波 规定：３８０Ｖ系统电压总 谐波畸变率小于５．０％，奇次谐波电压含有率小于 ４．０％，偶次谐波电压含有率小于２．０％；（（ＧＢ／ 专家论述 Ｔ１５５４３－－１９９５电能质量三相电压允许不平衡度 规定：公共连接点正常电压不平衡度允许值为 ２％，短时不超过４％，接于公共接点的每个用户 所引起的不平衡度允许值为１．３％等等。 ７）电能质量控制技术与设备 对各种电能质量问题的抑制、改善或治理 技术应当统称为电能质量控制技术。例如近年来 迅速发展的柔性交流输电技术（ＦＡＣＴＳ）与柔性 交流配电技术（ＤＦＡＣＴＳ），都属于电能质量控制 技术的范畴。对于电力用户而言，可以针对性采 取适当的技术手段来改善局部电能质量，使其满 足需求。例如：对于长期电压偏移，可通过适当 的无功补偿或采用稳压设备进行改善；对于电压 暂降，可采用动态电压恢复器（ＤＶＲ）；对供电可 靠性要求高的负载可采用不间断电源（ＵＰＳ）；针 对冲击性负荷、电压波动于闪变问题，可应用静 止无功补偿器（ｓｖＣ）或静止无功发生器（ＳＶＧ或 ＳＴＡＴＣＯＭ）；对于电力谐波的困扰，可安装电力 滤波器（ＡＰＦ或ＰＰＦ）；对于电压瞬变，可采用瞬变 电压抑制器（ＴＶＳＳ）加以抑制。 近年来，电能质量控制技术的发展非常迅 速，在电能质量控制的基础理论研究、电能质量 的检测及应用仪器和设备、数字化控制技术、柔 性交流输电技术（ＦＡＣＴＳ）与柔性交流配电技术 （ＤＦＡＣＴＳ）的发展与融合、非电力电子技术电能质 量控制器等方面都取得良好进展。 ２电力谐波治理 恫暇旧＾＝巴 １）电力谐波治理技术简介 电力谐波问题一直是一种主要的电能质量问 题。 电网中的电力谐波主要由非线性负荷产生。 非线性负荷吸收的电流与端电压不成线性关系， 结果电流发生波形畸变且导致端电压波形畸变。 这种周期性的畸变波形可按基频（５０Ｈｚ）展开成傅 里叶级数形式，其大于基频的分量即为谐波。 在当今社会的生产和生活中，产生谐波的设 备随处可见，如：变频调速器、直流调速系统、 整流设备、中高频感应加热设备、晶闸管温控加 热设备、焊接设备、电弧炉、电力机车、不间断 ３ 第１３卷第１ １期 ２０１０年１ １月 电涤挝术，《；阂 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｖｏ１．１３ ＮＯ．１ １ ＮＯＶ ２０ｌ０ 电源、计算机、充电器、音像设备、变频空调、 晶闸管调光设备、电子节能灯等。而且，随着工 业技术的发展，不断有新的电力电子装置和其他 非线性负荷或畸变负荷接入电网，导致电网谐波 水平逐年升高。谐波已成为一种主要的电网公 害。 ２）电力谐波的危害 谐波污染对电力系统、电力用户和用电设备 的危害是严重的，主要表现在如下几个方面： （１）增加电力设施负荷，降低系统功率因数， 降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率， 造成设备浪费、线路浪费和电能损失； （２）导致配电系统共振，危及系统安全； （３）引起无功补偿电容器组谐振和谐波电流放 大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无 法投入运行； （４）产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品 质量和电机寿命； （５）由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、 输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能 并加速绝缘老化； （６）导致峰值电压增加，增加了绝缘介质的电 场强度，降低设备使用寿命； （７）零序谐波电流会导致三相四线系统的中 线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环 流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事 故； （８）谐波会改变保护继电器的动作特性，引起 继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装 置工作紊乱，导致意外断电； （９）谐波改变了电压或电流的变化率和峰值， 延缓电弧熄灭，影响断路器的断路容量； （１０）使计量仪表特别是感应式电能表产生计 量误差； （１１）干扰邻近的电力电子设备、工业控制设 备和通讯设备，影响设备的正常运行。 ３）谐波管制标准 为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经 济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电 力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影响 ４ 的是ＩＥＥＥ５ １ ９一ｌ ９９２和ＩＥＣ５５５－２。我国水利电力 部早在１９８４年就颁发了 电力系统谐波管理暂行 规定》（ＳＤ１２６－８４），到１９９４年，国家标准ＧＢ／Ｔ １４５４９－９３ 电能质量公用电网谐波 正式颁布。 虽然各谐波标准都不尽相同，但都是大同小异， 且所有标准的都是基于以下三个目的： （１）将电力系统电流和电压波形的畸变控制到 系统及其所接设备能够允许的水平； （２）以符合用户需要的电压波形向用户供电； （３）不干扰其它系统（如通讯系统）的正常工 作。 ＧＢ／Ｔ１４５４９－ｌ９９３ 电能质量一公用电网谐 波 是现行谐波技术监督管理的国家标准。除要 求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外， 要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国标允 许值。否则应采取治理措施。 信息时代已经到来，越来越多的电气用户 对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出 了新的要求。越来越严重的谐波污染与越来越高 的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。因 此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济 运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常 工作和节能降耗的角度，有效地治理谐波，将其 在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环 境，营造绿色电网，已经迫在眉睫。 ４）治理电力谐波的基本方法 谐波治理措施主要有三种：一是主动治理， 即从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其 不产生或少产生谐波；二是受端治理，即从受 到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波 干扰能力；三是被动治理，即通过安装电力滤波 器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止 电力系统的谐波流人负载端。 由于谐波源的广泛性和复杂性，主动治理 方法受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影 响，只能解决部分问题，受端治理方法和被动治 理方法仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。 例如通过串联失谐电抗器抑制无功补偿电容器导 致的谐波共振放大，通过在系统中安装无源电力 滤波器和有源电力滤波器进行滤波等等。 专家治述 ５）用串联电抗器抑制谐波共振放大 当系统中含有谐波时，首先影响的是无功补 偿电容器。因电网本身具有电感属性，无功补偿 可抑制无功补偿电容器引起的谐波放大，又具有 较强的谐波电流分流作用或滤波作用。其特征是 电抗器与电容器的串联谐振频率 略低于欲滤除 的主要谐波频率，因此对欲滤除谐波呈现较低阻 抗，以产生足够的谐波分流效果。例如用于滤 电容器会与电网系统感性阻抗发生并联谐振，导 致谐波放大。作为典型参考值，假定配电变压器 短路阻抗为６％，补偿电容器容量为变压器额定容 量的３０％，若忽略高压线路的短路阻抗，则无功 补偿电容器与配电变压器短路阻抗的谐振频ｇｆｏ约 除５次谐波时，电抗率一般取４％～５％，对应 在 ２５０～２２４Ｈｚ之间。采用调谐电抗器的主要特点 为：①具有抑制谐波放大共振和谐波分流（滤波）双 为３７２Ｈｚ。计人高压线路短路阻抗Ｎ／ｏ还会略低一 些。因此，如果负载电流中含有５次、７次等谐波 分量，则会被放大。 解决补偿电容器引起谐波放大问题的有效方 法是在电容器支路中串联适当的电抗器。通常定 义电抗率为串联电抗器的基波感抗与电容器基波 容抗之比，随着电抗率的增加，并联谐振频Ｎｆｏ将 向低频方向移动。因此只要针对系统中的最低次 谐波频率，选择适当的电抗率，使谐振频ｇｆｏ充分 低于主要谐波频率，即可避免谐波放大问题。同 时串联电抗器后，电抗器与电容器还会发生串联 谐振，假定串联谐振频率ＮＩｌ，则对于频率接近的 ． 的谐波电流，电抗器与电容器串联支路呈现低阻 抗，可产生分流滤波作用。 在实际应用中，串联电抗器可分为三类： 第一类称作抗涌流电抗器，主要用途是限 制电容器投入系统时的涌流，其电抗率一般小于 １％。这类电抗器对抑制谐波放大一般没有正面作 用。 第二类称作失谐电抗器或消谐电抗器，主要 用于抑制无功补偿电容器引起的谐波放大。当用 于抑制５次以上谐波放大时，电抗率通常取６％或 ７％；抑制３次以上谐波放大时电抗率通常取１４％ 左右。其共同特征是电抗器与电容器的串联谐振 频率 明显低于最低次主要谐波频率。例如电抗 率为６％时，． 约为２０４Ｈｚ，明显低于５次谐波频率 ２５０Ｈｚ。采用失谐电抗器的主要特点为：①主要作 用是抑制谐波放大与共振，谐波分流作用较小； ②补偿电容器支路中谐波电流较小，可采用普通 并联补偿电容器；③对电容器、电抗器精度要求 较低。 第三类称作调谐电抗器或滤波电抗器，既 重作用；②补偿电容器支路中谐波电流较大，需 采用交流滤波电容器；⑨对电容器、电抗器精度 要求较高。调谐电容器支路已构成最简单的无源 电力滤波器。 ６）无源电力滤波器 如前所述，调谐电容器支路已构成最简单 的无源电力滤波器。在对谐波频率串联谐振状态 下，滤波支路对谐波电流呈现很低的阻抗，通常 显著低于电网对谐波的等效阻抗，因此大部分谐 波电流将被滤波器分流而不再流人电网，从而得 到良好的滤波效果。 对于工频基波电压而言，无源滤波器等效为 一个电容器，可补偿负载所需无功功率。 通常，１个调谐支路只能滤除单一频率的谐 波，当需要滤除多种谐波时需要采用多个调谐支 路，分别调谐与不同谐波频率。 上述由电抗器与电容器串联谐振所构成的无 源滤波支路称作单调谐滤波器，是最简单也是最 常用的无源滤波支路。除此之外，还有许多其它 类型的无源滤波支路，其共同特征是对某些频率 的谐波电流呈现低阻抗，从而产生并联分流滤波 作用。 无源电力滤波器的工作原理是低阻抗并联分 流，是被动滤波。因此，无源电力滤波器的滤波 效果是由滤波器的谐波阻抗和电网谐波阻抗共同 决定的。对同一个无源滤波器而言，当电网内阻 抗较小时滤波效果变差；对于相同的电网谐波阻 抗而言，滤波器容量较小时，其谐波阻抗增加， 滤波效果变差。 设计选用无源电力滤波器需注意以下几个方 面： （１）滤波器的额定电压等级和基波频率要与系 ５ 第１３卷第１ １期 ２０１０年１ １月 鼋ｉ圣挝 石阕 ＰｏＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖ０Ｉ｜１３ ＮＯ．１１ ＮＯＶ ２０１０ 统一致； （２）确认系统中有无中线谐波滤波需求，有则 选用３相４线系统；无则选用３；￣Ｈ３线系统； （３）无源滤波器的基波无功容量应符合系统无 功补偿需求； （４）滤波支路需根据系统谐波频谱进行设计或 选用，必须从系统中最低次主要谐波开始，否则 可能导致谐波放大： 常用无源滤波器支路组合：无３次谐波时：５ 次，５次＋７次，５次＋７次＋１１次；有３次谐波时：３ 次，３次＋５次，３次＋５次＋７次； （５）滤波器各支路分流的谐波电流强度不得超 过该滤波支路的谐波电流额定值； （６）电网中其他谐波源引起的谐波电压也会在 无源滤波器中产生谐波电流，需在滤波器设计时 将此部分电流控制在较低水平，以免发生过载； （７）无源电力滤波器一般不可与常规无功补偿 电容器并联运行，否则仍会导致谐波放大； （８）要根据系统阻抗和谐波电压含量进行滤波 效果校验和安全运行校验。设计选用无源电力滤 波器时，必须对滤波电容器进行安全运行校验， 以确保电容器的安全运行。安全运行校验的基 本原则是，电容器的实际工作电压和实际工作电 流，在最坏情况下均不得超过电容器的额定值， 并应留有适当安全余量。 无源电力滤波器具有结构简单、造价低等 优点得到广泛应用，但无源滤波器的滤波效果并 不理想。在许多场合，由于各种因素的制约，采 用无源滤波器后，谐波水平仍达不到相关标准要 求。设计不良的无源滤波器还可能在滤除某些频 率谐波的同时导致另外一些频率的谐波被放大。 在要求较高的场合，可采用有源电力滤波器。有 源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方 向，具有许多无源滤波器无法比拟的优点。 ７）有源电力滤波器（ＡＰＦ）工作原理简介 关于ＡＰＦ的工作原理，已有很多文献介绍， 分类方式也不尽相同。根据其工作方式，ＡＰＦ实 际可以分为两大类：一类是受控电流源直接补偿 式，即利用检测到的负载谐波电流信号作为指令 信号，直接控制一个受控电流源产生等值反相的 ６ 补偿电流注入电网进行对消；另一类则是基于受 控源支路阻抗变换原理实现所需的滤波效能，其 结构有多种变化，如串联型、并联型、混合型等 等。 受控电流源直接补偿型ＡＰＦ基本原理简单而 容易理解，它由指令电流运算电路和补偿电流发 生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实 时检测非线性负载线路中的电流，并通过适当的 算法将其中的谐波分量与基波分量分离，得到与 负载谐波电流相对应的指令电流信号，再通过电 流跟踪控制电路和驱动电路，控制补偿电流发生 器生成与负载谐波电流幅值相等、极性相反的补 偿电流注入电网，对非线性负载的谐波电流进行 补偿或抵消。在理想情况下，滤波后的网侧电流 只保留了负载电流中的基波分量，而其谐波分量 可被完全滤除。实际装置由于受谐波检测电路精 度和补偿电流发生器精度及带宽，谐波滤除 率可达到９５％左右。 ＡＰＦ中的谐波电流运算，通常采用ＤＳＰ（数字 信号处理器）经适当的算法实现，常用算法有瞬时 无功理论方法和快速富里叶变换方法等；而补偿 电流发生器通常采用ＩＧＢＴ等功率半导体器件构成 电压型三相逆变桥，以ＰＷＭ方式通过接人电抗器 形成所需补偿电流。 基于受控源支路阻抗变换原理实现有源滤波 的ＡＰＦ有许多种类，工作原理也不像上述受控电 流源直接补偿式ＡＰＦＪ］［￣样直接和容易理解，此处 不做详细介绍。其主要类型的基本原理是在配电 线路或滤波支路中串入受控电压源，从而改变各 支路的等效谐波阻抗，改变谐波的流向，达到滤 波目的。在具有良好滤波性能的同时，这种基于 受控源支路阻抗变换原理的ＡＰＦ还具有一些其他 优点：①在滤波容量相同前提下，这种基于受控 源支路阻抗变换原理的ＡＰＦ中逆变器的容量要比 受控电流源直接补偿式ＡＰＦ／Ｊ￣得多，有利于降低 成本和提高系统可靠性，也有利于构造输出容量 更大的ＡＰＦ；②补偿电流中的ＰＷＭ载波频率纹波 含量极低，特别适用于信息、通讯等对高频纹波 干扰敏感的行业。当然这种ＡＰＦ也有缺点：由于 需要采用适当的无源网络，在体积与重量方面处 于劣势。 ８）有源电力滤波器的优点 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具 有很多突出优点，主要包括以下几方面： （１）谐波滤除彻底，响应速度极快，可对各 次谐波电流和基波无功电流进行动态实时跟踪补 偿，也可对特定谐波进行选择滤除； （２）滤波特性不受被补偿系统阻抗的影响，且 不会与系统发生谐振； （３）即使被补偿对象谐波电流过大，也不会发 生过载，仅会滤波效果不足而已； （４）可单独补偿谐波，也可同时补偿谐波与无 功，可设置为滤波优先或无功补偿优先等不同工 作模式。 ９）有源电力滤波器（ＡＰＦ）与无源电力滤波器 （ＰＰＦ）对比 （１）工作原理 ＰＰＦ——由ＬＣ等被动元件组成，将其设计 为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行 分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通 道； ＡＰＦ——由电力电子元件和ＤＳＰ等构成的电 能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应 的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波， 其行为模式为主动式电流源输出。 （２）谐波处理能力 ＰＰＦ——只能滤除固定次数的谐波； ＡＰＦ——可动态滤除各次谐波。 （３）系统阻抗影响 ＰＰＦ——滤波效果受系统阻抗影响显著，且 存在谐波放大和共振的危险； ＡＰＦ——不受系统阻抗变化的影响。 （４）频率变化的影响 ＰＰＦ——谐振点偏移，效果降低； ＡＰＦ——不受影响。 （５）负载量增加的影响 ＰＰＦ——可能超载而损坏；． ＡＰＦ——无损坏之危险，谐波量大于滤波能 力时，仅发生滤波效果不足而已。 专家沦述 （６）负载变化对滤波效果的影响 ＰＰＦ——滤波效果随着负载的变化而变化； ＡＰＦ——在各种负载状况下，均可保持优良 滤波效果。 １ ０）电力滤波器的设计与选用 选用电力滤波器时通常需要完成以下环节： （１）分析或测量负荷特性，确定负荷的无功功 率、 主要谐波频率与谐波含量； （２）明确谐波标准或要求，分析电网公共 连接点内阻抗，确定滤波需求； （３）根据滤波需求确定采用何种电力滤波器： 谐波较轻或滤波要求较低时选用无源电力滤波 器；谐波严重或滤波要求高时选用有源电力滤波 器。 １ １）谐波治理的意义 概括地讲，治理电力谐波具有以下意义： （１）消除各次电压、电流谐波污染和干扰，满 足国家标准要求； （２）防止系统共振，提高系统运行稳定性，预 防设备故障，保障系统安全； （３）改善电压质量，提高设备运行安全性和可 靠性，降低设备温升和损耗； （４）提高系统功率因数，提高线路和电力设备 利用率； （５）降低电力损耗、提高设备效率，节约电 能。 总之，由于非线性、冲击性或不对称负荷等 扰动负荷接入电力系统，造成了大量的电能质量 问题，不但影响公用电网的安全运行，还对各种 电力用户的用电过程造成直接与间接的危害。对 日益突出的各种电能质量问题特别是电力谐波问 题实施有效的监管和治理已成为电力系统发展的 必然趋势。 作者简介 李建明（１ ９５６一），山东大学教授，山东山大华天科技 股份有限公司总工程师，中国电源学会常务理事，中国电 源学会交流电源专业委员会主任委员。主要研究方向为电 力电子与电子传动、特种逆变电源。 ７
