基于高通濾波器的諧波分析及抑制方法研究

魏玉紅

（青海省工業技師學院，青海 西寧 810021）

0 引言

近年來，隨著電力電子制造工藝的元件不斷完善和發展，大功率整流和逆變裝置被廣泛的應用于工業領域，比較典型的應用包括變頻器、全波整流裝置和直流弧焊機等多種電氣設備。作為電解電容器陽極的鋁化成箔制造廠，受制造工藝和產能的限制，單條生產線多采用五級化成模式，每級化成電解槽供電電源分別采用直流大功率整流裝置，單條生產線使用5臺大功率三相橋式整流裝置，由一臺五繞組整流變壓器提供交流電源，整流變容量3000KVA，五級供電電壓分別為F1:170V F2:329V F3:420V F4:450V F5:490V。一次側10k V通常一個車間設置30條生產線。最大運行工況：150臺整流裝置同時運行，最小工況5臺整流裝置運行。如此眾多的非線性電源同時運行，極易產生高次諧波及其適量疊加現象，對工廠電網及上級電網帶來了極大的隱患，電壓突變，絕緣薄弱環節擊穿時有發生，消除諧波隱患成為迫在眉睫的任務[1]。

1 諧波測試及分析

被測試車間10k V系統主接線圖如圖1所示，該車間為三組10k V電源進線，為便于生產組織和靜電電容補償投切，每組進線均采用均采用單母分段運行，Ⅰ、Ⅱ段母線間設母聯開關，其中Ⅰ段母線4回生產負荷出線，1回動力負荷出線，1回靜電電容補償出線，1回母聯出線，供電容量為12000k VA。Ⅱ段母線6回生產負荷出線，供電容量為18000k VA。

圖1 10KV系統主接線圖

1.1 諧波測試方案

（1）選取單臺整流變負載運行情況，其他9臺整流變均停運；目的：了解單套整流裝置固有諧波分量情況。

（2）選取10k VⅠ段負載運行（4臺整流變）情況，其他6臺整流變均停運；目的：了解4套整流裝置并列運行時諧波分量矢量疊加情況。

（3）計算10k VⅡ段負載運行（6臺整流變）情況；

（4）測試點選取：1單臺整流裝置滿載運行時，測試點選擇出線斷路器負載側；四套整流裝置并列滿載運行時，測試點選擇在10k VⅠ段母線；

（5）測試方法：采用KN-615電能質量在線監測儀，筆記本電腦后臺數據存儲，電壓信號引自10k VⅠ段母線進線柜PT二次試驗端子；電流信號引自CT二次端子，其中接入電能質量分析儀的電壓信號采用并聯連接，電流信號串聯連接

（6）測試內容：一般情況下諧波測試的次數多為2至19次諧波，本次測試，由于負載側為多臺整流變壓器并聯與母線，且均為等效6脈拍設計，同期負載運行為其基本運行方式，理論上分析，單臺負載運行諧波分量一般不超標，多臺同時運行時，高次諧波矢量疊加后超標，為了準確分析特征諧波量的變化規律，測試至25次諧波[2]。

1.2 測試數據及分析

（1）單臺整流變負載運行情況：

①實測數據（見表1）。表1中所列諧波國標限值為當基準短路容量為100MVA時，計算所得的國標限值。

表1 單臺整流變負載運行諧波測試 （單位：A）

②實測數據分析。單臺整流變負載運行時，由于整流裝置采用6脈拍設計，整流變二次繞組為同心式繞組，彼此間隔15°電角度，經五組整流裝置整流后直流電壓作為負荷工作電壓，所產生的諧波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次諧波。但滿足國標限制條件，符合電網綠色運行標準[3]。

（2）10k VⅠ段負載運行（4臺整流變負載運行）情況：

①實測數據（見表2）。表2中所列諧波國標限值為當基準短路容量為100MVA時，計算所得的國標限值。

表2 四臺整流變負載運行情況諧波測試 （單位：A）

②實測數據分析。從表2中數據可以看出，4臺整流變同時負載運行時，10KV母線5次、11次、14次、20次、25次諧波超標，對照單臺整流變負載運行諧波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次諧波檢測結果來看，諧波分量適量疊加現象明顯，5次、14次、25次諧波直接疊加，11次、19次、20次、23次諧波隨機疊加。

產生這種現象的原因是：

①整流變壓器繞組結構基本一致，二次繞組相隔電角度一致，整流設備工作方式、額定電流一致，存在著設備固有諧波發生機理造成部分諧波直接疊加。

②每條生產線制造的鋁電解電容器陽極箔耐壓等級不同，五級化成槽所加電電壓不同，對應整流裝置輸出功率不一致，橋式全波整流電路導通角θ大小不等，設備負載率不一致，導致存在諧波隨機疊加的現象，11次、19次、20次、23次諧波隨機疊加現象明顯[4]。

1.3 諧波測試結論

（1）國標GB14549．93《電能質量公用電網諧波》明確了諧波電壓允許值，對比實測數據可知：多臺整流變同時負載運行時，由于存在疊加現象，諧波超標，集中在5次、11次、14次、20次、25次，當系統處于最大運行方式時，諧波將嚴重超標，危及到系統的正常運行。

（2）整流裝置是該系統的主要諧波源。在設備設計階段已充分考慮諧波影響，整流裝置采用六脈拍形式，整流變壓器二次繞組采用移相設計，較好地解決了單臺運行時諧波的超限，但由于多臺同時運行，導致諧波超標。

（3）實測數據與理論分析數據是一致的。

（4）在整流變壓器正常工況運行條件下，負載及所產生的的諧波分量及其變化率均較穩定。

2 諧波抑制措施

2.1 系統諧波抑制措施的選擇

鑒于本系統整流裝置已采用移相措施，整流變二次繞組設計時彼此相差15o電角度，且整流裝置已采用6脈拍多重化結構，系統存在的諧波為多套整流設備同時工作情況下的疊加所致（單臺測試數據可表明）；也就是說，在受端治理與主動治理條件下，無法避免諧波的產生和疊加，需采用被動治理手段方可完成諧波的抑制。

根據系統諧波特征研究結論，綜合經濟性和可靠性原則，采用無源濾波技術，即在每段母線上設計一套動態補償濾波裝置，集中治理母線上的各次諧波。

根據系統中實測諧波含量的情況，設置2個補償濾波支路，分別是5次兼高通濾波支路，11次兼高通濾波支路。濾波支路采用偏調諧濾波技術，用于針對某次及以上各次的諧波治理。其中5次兼高通濾波支路的作用是抑制5次及以上諧波，并防止高次濾波支路對7次等諧波進行放大，影響濾波效果。11次兼高通濾波支路的作用是濾除11次及以上的各次諧波，減少高次諧波對用電設備的影響。

2.2 濾波支路設計

（1）濾波支路的基本原理。圖2（a）為濾波支路的基本電路原理圖，圖2（b）為濾波支路的阻抗—頻率特性。

圖2 （a）濾波支路的基本電路原理圖 （b）濾波支路的阻抗—頻率特性

（2）濾波支路傳遞函數與特性參數。

濾波支路傳遞函數為：

特性參數

式（1）中：UR——濾波支路等效阻抗端電壓；U——濾波支路電壓；S——濾波支路視在功率；——濾波支路基波角頻率；R——濾波支路等效阻抗；C——濾波支路等效容抗；L——濾波支路等效感抗

（3）阻抗—頻率特性。

濾波支路在n次諧波下的阻抗及其模值，簡化后可得

圖2（b）為濾波支路的阻抗—頻率特性。通過對標出了的阻抗-頻率曲線的拐點研究可得出下面的結論（見圖2（b））：

①在點O～A之間，是一個低阻區間；

②C點是電壓諧振點，此點分界出了容性阻抗感性阻抗區間；

③當Q≥3時，B和C點很接近于O點；

式（2）、（3）中：Zn——濾波支路在n次諧波下的阻抗；|Zn|——濾波支路在n次諧波下的模值；Q——濾波支路在n次諧波下的無功功率；n0——濾波支路基波；

表3 濾波支路特殊點諧波次數與阻抗關系

（4）濾波支路參數選擇與計算方法。

①的選擇應使單頻調諧濾波器之外的諧波進入高通濾波器的通帶。

②選Q值為3至4之間為佳，Q值不宜太高，否則有功損耗的顯著增加影響。濾波效果；Q值也不宜太低，否則C點將遠離O點，即通帶內容性阻抗范圍變寬，這可能與母線上其它感性負載發生并聯諧振而危及設備安全。尤其重要的是取Q=3～4時，可使n A=2左右，利用nO～nA之間的低阻特性可以兼顧諸如2.5次、3.5次等諧波的抑制。

濾波支路的參數可用下式計算：

對于基波，滿足R＞＞ωL，則：

③濾波支路參數確定。

表4 母線在4臺整流變運行時負荷數據

根據表5數據，按6臺整流變全部工作時，母線上的有功功率按單臺的六倍計算約8220KW，功率因數由0.78提高到到0.92，基波補償容量需要3100kvar的。本次設計濾波支路，考慮系統中諧波的含量，以及該母線電壓一般運行在10.5KV左右，因此電容器采用額定電壓為的并聯濾波電容器。

表5 4臺整流變分別單臺運行時的負荷數據

5次兼高通濾波支路的基波補償容量2100kvar，11次兼高通濾波支路的基波補償容量1000kvar。通過計算，5次兼高通濾波支路的電容器安裝容量為3000kvar時，基波輸出容量2205kvar，濾波容量67A。11次兼高通濾波支路的電容器安裝容量1500kvar，基波輸出容量1067kvar，濾波容量39A。

根據上述參數設計補償濾波支路，可以滿足該系統下的各種補償濾波要求。考慮該段母線中生產線運行情況，配套一臺容量為1800kvar的磁控式可調電抗器，實現無功功率在3200-1400kvar之間連續可調，能滿足該供電母線2-6臺整流變同時運行時的無功補償調節需求，即使補償濾波支路不做投切，也可實時穩定功率因數在0.92以上，且不會出現過補的情況[5]。實際濾波支路原理圖如圖3所示。

圖3 濾波支路原理圖

3 諧波抑制效果仿真

按圖3示濾波支路原理圖，利用PSIM電力電子仿真軟件，用其強大的元件庫，構筑仿真原理，選擇參數運行濾波器分析程序。如圖1所示，在10KVⅠ段母線上并聯5次兼高通濾波支路和11次兼高通濾波支路，同時并聯一個磁控式可調電抗器支路，使無功功率在3200-1400kvar之間連續自動可調。

3.1 仿真電路主要參數

（1）仿真回路工作頻率：50Hz；

（2）仿真節點分別選自三個支路母線連接點；系統基準電壓根據現場實際情況選定為10.5KV；

（3）濾波系統總阻抗仿真給定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（4）濾波器阻抗仿真給定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（5）諧波仿真給定值：諧波次數總數：12；Pe=1.8187MVA；Ue=10.5KV；Ie=100.0026A。

3.2 仿真數據

（1）諧波源：

（2）支路總電流：

（3）濾波器投入情況下母線電壓：

4 結語

對于以多個直流電源為主要工作電源的電解電容器陽極箔生產線而言，單條生產線所產生的諧波不足以危害到電網安全，多臺生產線同時運行時可諧波疊加現象嚴重，引發母線電壓畸變，功率因數滯后，損耗加劇，嚴重影響電網安全和企業正常生產，盡管在設備選型時整流變壓器和整流裝置已采取移相和六脈拍處理，但仍無法避免諧波危害，因此，采用被動治理方式已成為必然之選。本文以具體工廠為例，通過實測諧波危害，研究諧波產生機理，因地制宜提出分別并聯5次兼高通濾波器+7次兼高通濾波器+磁控電抗器治理方式，本方式抑制諧波效果明顯，在不同負載率情況下有功電流可降低10—15%左右，母線電壓平穩，波動幅度得到有效的改善，在多臺整流裝置同時運行企業推廣價值巨大。