浅谈电能质量问题与滤波器的发展

安科瑞 缪凯伦

电能是当代主要的能源形式，用电问题也日益显现。如今，用电负荷日趋复杂化和多样化，相应的，带来的各种静态电磁干扰问题成为用户关注的焦点。计算机，微处理器电子和电气设备被大量使用，这些设备对电力系中暂态问题的灵敏程度和对供电可靠性的依赖程度也变得越来越高。因为这些问题，电能质量不可避免成为了如今的电力问题的关键。

     电能质量是指电力系统中电能的质量。理想的电能应该是对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，我们要研究如何规避这些因素，从而使电能接近正弦波。

     电能质量内容分为两大类:“稳态"和“暂/瞬态"。国标中涉及的:谐波、频率、电压不平衡度、电压偏差属“稳态";电压波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压、电压骤升、骤降、短时断电属“瞬态"。

     本篇文章主要讨论谐波问题及其治理方法。谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数计算所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频(50Hz)相同的分量。

     谐波具有以下危害：

1)由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率。大量的3次谐波流过中线时，会使线路过热甚至发生火灾。

2)谐波影响各种电气设备，特别是电机类设备的正常工作。谐波对旋转电机和变压器的影响，首先主要是引起附加损耗，谐波电流流过电机和变压器时，将会增加铁心损耗以及铜损，引起过热。谐波损耗对变压器的影响通常要大于对电机的影响，比如电弧炉变压器由于熔炼过程中的电流的剧烈波动，造成寿命的明显缩短。谐波对旋转电机和变压器的影响其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。当谐波频率接近电机的固有振动频率时，会引起电机的强烈

振动。这些影响可能缩短电机寿命，甚至损坏电机。谐波电流引起的附加损耗通常折算成等值的基频负序电流来进行估算。

3)电力系统中电容器的应用可能会导致的谐振，是一个需要非常重视的问题。当谐波频率与输电系统固有的特征频率重合时，可能会放大谐波分量，产生非常大的电压和电流。这导致设备的附加损耗和发热，缩短电容器寿命，以致造成设备故障。大量调查表明，电容器和与之串联的电抗器的烧毁在谐波引起的事故中约占75%。

4)谐波电流除了会增加继电器的发热和损耗之外，还会导致动作特性改变，以致造成保护装置的拒动或误动。比如以电磁型电压继电器为例，当含谐波的畸变电压作用于继电器时，动作值总是比继电器刚好动作的基波分量电压合理值大，即过电压继电器有可能出现拒动，而欠电压继电器则可能误功。此外，在动态情况下，如投入空教变压器时会产生诸波含量很高的励磁涌流，造成继电器误动作而使开关跳闸。

利用设置作为谐波源的非线性负荷附近的无源滤波器(PassiveFilter, PF)即由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的并联滤波装置来控制谐波电流。通常将产生谐波的负荷看做是谐波电流源。无源滤波器的作用是为谐波电流i提供一个低阻抗的通路或谐振回路，通过分流非线性负荷所产生的谐波电流来减少流入电网的谐波电流isH。根据结构不同，无源滤波器可分为带通滤波器(包括单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器)、高通滤波器、C型阻尼滤波器和桥式滤波器等。无源滤波器具有以下特点。优点：无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低。

缺点：通带内的信号有损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

     为了应对日益复杂的谐波补偿问题，随着电力电子技术的发展而产生的有源滤波器逐渐被广泛应用。有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）是一种用于动态治理谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。有源滤波器之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服LC滤波器等传统的谐波治理和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。

     安科瑞是上海安科瑞电气股份有限公司的简称，是一家集研发、生产、销售于一体的高科技股份制企业。公司具有丰富的有源电力滤波器的生产和应用经验，在电能质量方面致力于服务客户，为客户创造价值。