濾波補償

1. 何為諧波？

“諧波”一詞起源於聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由於使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。

到了50年代和60年代，由於高壓直流輸電技術的發展，發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大量論文。70年代以來，由於電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

諧波研究的意義，當然是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒燬。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒燬。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使期不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用於作為主要諧波源的電力電子裝置。

裝設諧波補償裝置的傳統方法就是採用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生並聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒燬。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻並不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功補償和對諧波無功功率的補償。

無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地説，為了輸送無功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的範圍內可以實現；而為了輸送有功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這隻能在很窄的範圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

無功補償的作用主要有以下幾點：

（1） 提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。

（2） 穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。

（3） 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功襝可以平衡三相的有功及無功負載。

二、諧波和無功功率的產生

在工業和生活用電負載中，阻感負載佔有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中佔有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。

電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯後於電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所佔的比例最大。常用的整流電路幾乎都採用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯後已為人們所熟悉。直流側採用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，採用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。

三、無功功率的影響和諧波的危害

1.無功功率的影響

（1）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。

。同時，電力用户的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。

（2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是衝擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。

2.諧波的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，並有一定認識，但那時諧波污染還需要嚴懲沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速使得公。用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷髮生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面。

（1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀表計量不準確。

（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。

四、無功補償的原理

1、無功補償的原理 電網輸出的功率包括兩部分;一是有功功率;二是無功功率.直接消耗電能,把電能轉變為機械能,熱能,化學能或聲能,利用這些能作功,這部分功率稱為有功功率;不消耗電能;只是把電能轉換為另一種形式的能,這種能作為電氣設備能夠作功的必備條件,並且,這種能是在電網中與電能進行週期性轉換,這部分功率稱為無功功率,如電磁元件建立磁場佔用的電能,電容器建立電場所佔的電能.電流在電感元件中作功時,電流超前於電壓90℃.而電流在電容元件中作功時,電流滯後電壓90℃.在同一電路中,電感電流與電容電流方向相反,互差180℃.如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件,使兩者的電流相互抵消,使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小,從而提高電能作功的能力,這就是無功補償的道理.

(1)補償無功功率,可以增加電網中有功功率的比例常數

(2)減少發,供電設備的設計容量,減少投資,例如當功率因數cosΦ=0.8增加到cos4=0.95時,裝1Kvar電容器可節省設備容量0.52KW;反之,增加0.52KW.對原有設備而言,相當於增大了發,供電設備容量.因此,對新建,改建工程.應充分考慮無功補償,便可以減少設計容量,從而減少投資.

(3)降低線損,由公式△P%=(1-cosΦ/cosΦ)X100%得出其中cosΦ為補償後的功率因數,cosΦ為補償前的功率因數則

cosΦ＞cosΦ,所以提高功率因數後,線損率也下降了.減少設計容量,減少投資,增加電網中有功功率的輸送比例,以及降低線損都直接決定和影響着供電企業的經濟效益.所以,功率因數是考核經濟效益的重要指標,規劃、實施無功補償勢在必行.

提高用電單位的自然功率因數,無功補償分為集中補償,分散補償和隨機隨器補償,應該遵循：全面規劃,合理佈局,分級補償,就地平衡；集中補償與分散補償相結合,以分散補償主;高壓補償與低壓補償相結合,以低壓補償為主；調壓與降損相結合，以降損為主的原則.

（1）低壓無功補償設備的組合元件

①無功功率自動補償控制器

根據電網無功功率是否達到無功設定值來控制電力電容器的投入和切除,並且有過,欠電壓保護功能

②無觸點可控硅模塊或智能複合開關

③電容器(內帶放電電阻)

④熔斷器

⑤電流互感器

⑥避雷器

⑦開關

⑧電抗器(對無觸點開關起到過電流保護作用;對防止電容器過電流也起到抑制作用)

另外,還裝配監視用的電壓表,電流表,功率因數表和信號指示燈等.

五、濾波補償節能裝置的選擇

以

SLTF型濾波補償節能裝置

為例：

該裝置用晶閘管作為投切開關實現濾波器的無觸點自動投切，可以連續頻繁投切濾波器組而不影響開並和電容器的壽命。濾波器可濾除系統中諧波電流，改善電壓波形畸變，快速跟蹤系統無功電流的變化，就地進行無功補償，改善用户的功率因數，降低電耗，穩定母線電壓，可廣泛應用於電力、冶金、煤礦、化工、輕工、建材、機械等行業中具有快速波動負荷的低功率因數及諧波源用户。

低壓濾波裝置的技術特點；

以單片機為核心，結構簡單、功能強大、可靠性高；

按照負荷的無功電流、諧波電流進行調節，可實現快速跟蹤；

動態響應速度快；

根據諧波源的特性設定濾波器的投切方式和控制策略，投切時無暫態衝擊；

針對三相平衡負荷和不對稱負荷可實現三相或分相投切，克服了傳統的交流接觸器投切方式的缺點

無合閘湧流衝擊、無電弧重燃、無須放電即可再投；

實時顯示系統的功率因數、母線電壓及保護動作信號；

具有通訊功能；

具有手動、自動切換功能；

控制器與微機保護配合具有較全面的保護功能：

濾波器組過電流保護

濾波器組電流速斷保護

晶閘管過熱保護

三相電流不平衡保護

過電壓、欠電壓保護

低壓濾波裝置的主要技術指標

動態響應時間： ≤20ms

最大單級容量： 500kvar

分級調節： 2~7級

系統電壓： ＜690V

基波頻率： 50HZ

環境温度： 0~42℃

相對濕度： ＜85% （環境温度為25 ℃）

大氣壓力： 80~110kpa(海拔2000米以下)

六、電容在濾波中的應用

電容和電阻是電路中最常用的，實現濾波、LC振盪、積分、儲能等功能的電路中都需要電容。實際的電容還會顯示電感和電阻分量，市場有無阻電感和電容實際上就是電阻分量較少。電感分量的存在，使得實際電路中電容的成分更加複雜，可以用LC網絡來等效。我用電容，更多的是用於濾波上。大致可以分成兩種主要應用：一是干擾的濾波，特別對數字芯片而言；二是有源濾波器。

電容濾掉高頻干擾很容易理解，電容的特性就是隔直通交流。電容隔直信號的頻率可以算出來，比如印製板信號地和外殼地之間常使用穿心電容抑制干擾，一般穿心電容廠商會對應給出個電容的濾波特性讓使用者選用。實際電容的角頻率為時，會發生諧振。這時阻抗最小，濾波效果最好。若超過諧振點，阻抗特性呈現出感性，隨頻率增加而增加，效果會變差。為濾除高頻率干擾，需要儘量提高電容諧振頻率，儘量選擇電感小的產品。

數字芯片濾干擾信號是為了防止引起誤反轉，需要在芯片供電的管腳，在電源與地之間連接上去耦和濾波電容，一般要求是儘量靠近電源，然後直接接地。電容量的大小和外界干擾信號有關，有的數字芯片手冊會重點寫出要求。一般是一個0.1u的電容，有時還需要並上一個10u的電容，也是針對不同頻率信號的濾波吧。

在有源濾波器上，電容不可或缺，開關電容濾波器裏電容同樣是不可缺少的。在這裏會有一個問題就是電容的容值很難做到高精度，一般也就1%。有時設計正確的實現方案，用在濾波截至頻率有嚴格要求的領域，是不可容忍的。只能採取調試的辦法，選取不同容值的電容來試，確實不太經濟，也給設計實現帶來很大困難。

有一點需要提出來説，電容温度穩定性不好，工作電壓也會影響電容器性能。選用時需要注意。