并聯混合型有源電力濾波器中無源濾波器設計與優化

【摘 要】當前社會，隨著電子產品的普及，人們對電的依賴越來越嚴重，電在給人們帶來便利的同時也產生了一些副作用。電力諧波就是其中的一種，本文首先介紹了傳統電力諧波產生的原因及其危害，然后提出傳統電力諧波的治理方法，最后提出無源濾波器設計與優化。論述解決電力諧波的優化方法，以期對后面的研究者提供幫助。

【關鍵詞】并聯混合型；無源濾波器；設計優化

引言：當前，隨著經濟水平的提高，無論是生活上還是工業上，人們都已經離不開電的需求。電在給我們的生活生產方式帶來便利的同時，也出現了一些問題。由于基波電流發生畸變產生電力諧波就是其中主要的一種，作為電生產過程中的一個副產品，電力諧波會使得發電設備和用電設備的銅損失和鐵損失增加，使電力設備因為長期過量發熱導致損壞，使電力設備達不到應有的設備使用年限，造成浪費。而且，容易發生電網線損增加，局部過熱，電線老化速度加快等現象，給廣大人民的生命財產安全造成威脅。因此必須對諧波進行處理，使其諧波分量能夠達到國家的標準。

1電力諧波產生的原因

1.1發電源產生電力諧波

要想讓發電機不產生諧波，就得保證三相繞組絕對對稱，但是因為技術難度大以及發電機中的三相繞組制作工藝復雜導致很難做到。而且，讓鐵芯做到絕對的均勻也不是一件容易的事情。因此，發電機在發電的時候會產生有害的電力諧波。

1.2輸配電過程產生電力諧波

在電力運輸和分配的過程中，經常會利用高壓傳送低壓分配電力的方式傳送到用戶手中。因此在這一過程中少不了一個重要的電力電壓轉換設備變壓器。因為變壓器數量眾多，不得不考慮經濟性，在設計變壓器的時候，工作磁密往往不在磁化曲線的完全飽和度上而是維持在一個近似飽和的程度，那么問題就隨之而來，磁化產生的電流波形變為尖頂形狀。因此，在變壓器進行電壓轉換的過程中會產生有害的電力諧波，主要以奇次諧波為主。其中磁路的結構以及磁密的飽和程度會對諧波的大小產生影響。

1.3用電器產生電力諧波

用電器產生諧波的種類很多，包括的范圍也比較廣泛，主要分為三種類型。變頻裝置，這種設備產生的電力諧波因為采用相位控制的原因導致成分非常復雜，除了常見的電力諧波外，還包括分數電力諧波，而且，隨著功率和變頻調速的變大，產生的電力諧波危害也逐漸變大。電梯就是最具有代表性產生電力諧波的變頻裝置。氣體類電源燈，它們具有很強的非線性，容易產生奇次電力諧波。常用的家用電器也是產生電力諧波的重要一部分，盡管他們單個產生的電力諧波數量不多，但是家用電器的總量非常夸張，因此由家用電器產生的電力諧波數量也不容小覷。

2電力諧波的危害

電力諧波在國家規定的范圍內，所能造成的影響非常小，不會產生什么危害。但是一旦諧波超過國家所規定的標準值，將產生非常嚴重的后果。舉個簡單的例子，工廠內使用少量節能燈會產生良好的收益，既節約電費，又提高照明效率。但是倘若不進行電力諧波處理又使用大量的節能燈后不僅起不到節約資本、增強照明的效果，反而還會因為大量節能燈產生諧波引起局部電網發熱，損害節能燈，浪費電費。電力諧波的危害在工廠中還主要體現在會對工廠精密的儀器造成影響，產生誤差，產生實際用電量和用電顯示量不相符合的現象。繼電器會因為電力諧波的存在失去它的保護作用。電機等帶線圈設備會因為電力諧波的存在導致不能達到額定功率，造成資源的浪費。接入該電網中的各種設備都會因為電網局部過熱造成損耗加快，甚至發生失火，對人們的生命財產安全而言具有嚴重的威脅。

3傳統電力諧波治理方法

3.1無源電力濾波器

無源電力濾波器就是將電容器和電抗器進行串聯后，將其構成的串聯電路并聯到處理諧波設備中。然后對需要處理的諧波次諧振點進行設置，達到濾除諧波的目的。無源電力濾波器最大的優點就是它的成本非常低，能夠滿足一般用戶的需求，多流通于私有的中小型企業當中。中小型企業管理者對于諧波的危害認識大多不足，不會動用大量的公司財產來對這種看不見的電力諧波危害進行專門的治理。但是無源電力濾波器濾波的效果一般，通常為低壓電力諧波的處理方式。由于其價格便宜，國家對電力諧波管控嚴格，盡管處理效果不好，但為了避免罰款，一些中小型企業仍然會選擇用無源電力濾波器處理電力諧波。

3.2有源濾波器

有源諧波濾除器是以無源電力濾波器為雛形進行開發設計的，有源諧波濾除器是在使用電力電子元件的情況下形成電路。其原理主要是抵消電力諧波，即通過有源諧波濾除器產生與原有電力諧波同頻同幅但是相反的電力諧波對供電設備以及用電設備產生的電力諧波進行中和，達到去除電力諧波的目的，它最大的優點就是對電力諧波的過濾效果非常好，在特定的條件下，甚至能夠達到完全過濾的效果。但是，其設備安裝的要求很高，制作技術也相對來說比較復雜，受到電力電子元件的限制。中小型企業一般不會使用這種昂貴的有源諧波濾出器，通常是在受電力諧波影響較大的計算機以及使用較多的供電系統中使用這種有源諧波濾除器。

4無源濾波器優化設計

4.1設計理念

電力諧波的產生通常是因為在進行電氣設計的時候電諧波的處理方法不夠優化造成的，要想減少電力諧波出現的機會，就得從源頭開始，做好頂層設計。根據電力諧波產生的原因可知，在發電過程中產生的電力諧波最多、危害最大。而且，電力諧波在進行處理的時候要想達到最優的處理效果，沒有一個固定的處理方法，要根據實地的測試情況，進行多目標的最優化求解過程，不能采用一次得出解決方案永久使用的方法。據此本文對無源濾波器進行優化設計。

4.2 結構設計

并聯混合型有源濾波器系統結合了無源電力濾波器和有源濾波器二者的優點，本文的結構設計是在二者的結合上提出優化方案。用來達到減少電力諧波出現的目的。對于并聯混合型有源濾波器系統而言，不但具有無源電力濾波器的優點，同時還具有有源濾波器的特點，可以說是對二者優點的有效結合，但是在該系統中，也有一些問題需要解決。比如，對于補償裝置的多元化功能，有緣電力濾波器就無法完成這個任務。為了解決這個棘手的問題，在實際的應用中，達到中和電力諧波的目的，應該對混合型有源電力濾波器進行優化，并進行并聯操作，利用無源濾波器完成補償，從而達到中和大多數電力諧波的目的。這樣有源電力濾波器所需處理的電力諧波數量就會大大減少。單調諧支的數量越多，補償裝置的容量就會減少許多，但是這樣會使所需的成本大大提升，不能滿足經濟效益的原則，本文中采用兩條支路的方案，既經濟又能滿足要求。在實際情況的處理中要在考慮經濟效益和處理效果的基礎上進行選擇。

結束語：在近年來的發展過程中能夠明顯發現，在供電系統以及用電設備方面，諧波帶來的危害越來越強，已經引起了人們的普遍重視。傳統的治理方法存在著一定的不足，并聯混合型有源電力濾波器成為電力諧波治理的主要治理措施，對治理諧波危害明顯。本文主要針對其中的無源濾波器部分進行設計與優化。希望通過本文的研究能夠在一定程度上減少諧波造成的危害，讓電能更好的為人們服務。

參考文獻：

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[2]李廣兵，蒲玉興.并聯型有源電力濾波器新型諧波檢測方法研究[J].電力電容器與無功補償，2018，39（04）：7-11.

作者簡介：

賀運禮，男，山東單縣，漢，1981年8月，大專，研究方向：電力電子。

（作者單位：山東華天電氣有限公司）