淺談電能質量問題與濾波器的發展

電能是當代最主要的能源形式，用電問題也日益顯現。如今，用電負荷日趨復雜化和多樣化，相應的，帶來的各種靜態電磁干擾問題成為用戶關注的焦點。計算機，微處理器電子和電氣設備被大量使用，這些設備對電力系中暫態問題的敏感程度和對供電可靠性的依賴程度也變得越來越高。因為這些問題，電能質量不可避免成為了如今的電力問題的關鍵。

電能質量是指電力系統中電能的質量。理想的電能應該是對稱的正弦波。一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產生了電能質量問題。一方面我們研究存在哪些影響因素會導致電能質量問題，一方面我們研究這些因素會導致哪些方面的問題，最后，我們要研究如何消除這些因素，從而上使電能接近正弦波。

電能質量內容分為兩大類:“穩態”和“暫/瞬態”。國標中涉及的:諧波、頻率、電壓不平衡度、電壓偏差屬“穩態”;電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓、電壓驟升、驟降、短時斷電屬“瞬態”。

本篇文章主要討論諧波問題及其治理方法。諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50Hz)相同的分量。

諧波具有以下危害。

1)由于諧波的存在，增加了系統中元件的附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的使用效率。大量的 3 次諧波流過中線時，會使線路過熱甚至發生火災。

2)諧波影響各種電氣設備，特別是電機類設備的正常工作。諧波對旋轉電機和變壓器的影響，首先主要是引起附加損耗，諧波電流流過電機和變壓器時，將會增大鐵心損耗以及銅損，引起過熱。諧波損耗對變壓器的影響通常要大于對電機的影響，比如電弧爐變壓器由于熔煉過程中的電流的劇烈波動，造成壽命的明顯縮短。諧波對旋轉電機和變壓器的影響其次是產生機械振動、噪聲和諧波過電壓。當諧波頻率接近電機的固有振動頻率時，會引起電機的強烈 振動。這些影響可能縮短電機壽命，甚至損壞電機。諧波電流引起的附加損耗通常折算成等值的基頻負序電流來進行估算。

3)電力系統中電容器的應用可能會導致的諧振，是一個需要非常重視的問題。當諧波頻率與輸電系統固有的特征頻率重合時，可能會放大諧波分量，產生非常大的電壓和電流。這導致設備的附加損耗和發熱，縮短電容器壽命，以致造成設備故障。大量調查表明，電容器和與之串聯的電抗器的燒毀在諧波引起的事故中約占 75%。

4)諧波電流除了會增加繼電器的發熱和損耗之外，還會導致動作特性改變，以致造成保護裝置的拒動或誤動。比如以電磁型電壓繼電器為例，當含諧波的畸變電壓作用于繼電器時，動作值總是比繼電器剛好動作的基波分量電壓有效值大，即過電壓繼電器有可能出現拒動，而欠電壓繼電器則可能誤功。此外，在動態情況下，如投入空教變壓器時會產生諸波含量很高的勵磁涌流，造成繼電器誤動作而使開關跳閘。

利用設置在作為諧波源的非線性負荷附近的無源濾波器(PassiveFilter, PF)即由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的并聯濾波裝置來控制諧波電流是最為常用的諧波抑制方法之一。通常將產生諧波的負荷看做是諧波電流源。無源濾波器的作用是為諧波電流 i 提供一個低阻抗的通路或諧振回路，通過分流非線性負荷所產生的諧波電流來減少流入電網的諧波電流 isH。根據結構不同，無源濾波器可分為帶通濾波器(包括單調諧濾波器、雙調諧濾波

器、三調諧濾波器)、高通濾波器、C 型阻尼濾波器和橋式濾波器等。無源濾波器具有以下特點。優點：無源濾波器具有結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低。

缺點：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感 L 較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

為了應對日益復雜的諧波補償問題，隨著電力電子技術的發展而產生的有源濾波器逐漸被廣泛應用。有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱 APF）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。有源濾波器之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源（用以補償主電路的諧波），其應用可克服 LC 濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統的只能固定補償），實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功。