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摘要；谐波对公用电网造成了很大的污染，它与电磁干扰和功率因数降低并称为电力系统的“三大公害”。本文通过磁通补偿型零序滤波装置研发、实践和研究证明，磁通补偿型零序滤波装置能治理谐波污染、补偿无功功率、平衡三相电流,是改善低压配电网电能质量的有效手段。
关键词；谐波 控制
Abstract: the utility grid harmonics caused great pollution, it and electromagnetic interference and power factor and reduce power system called "three social effects of pollution". This article through the magnetic flux compensation type zero sequence filtering device development, practice and research proves, the magnetic flux compensation type zero sequence filter unit can harmonic pollution management, compensation reactive power, balanced three-phase, low voltage distribution network is to improve power quality effective means.
Keywords: harmonic control
中图分类号：TM477 文献标识码：A 文章编号：
随着城市化的快速发展，大型商厦及写字楼不断增加，这些建筑中存在大量的计算机、办公自动化设备、变频空调、节能灯具及各种类型的非线性用电设备产生谐波。电力谐波的危害是多方面的，主要体现在以下几个方面：
1对供配电线路的危害
电力系统谐波影响线路的稳定运行，由于供配电系统中的电力线路和电力变压器多采用电磁式继电器和感应式继电器作为保护装置，以保证线路与设备在故障情况下的安全运行，但这些保护装置容易受谐波影响，产生误动，严重威胁供配电系统的安全稳定运行。
电力系统谐波同时还会影响电网的电压质量，谐波电流流过系统阻抗时会产生谐波电压降，从而使电压波形发生畸变，进而影响其它用户的电力设备。谐波电流与各次谐波电压还会形成谐波有功和谐波无功，占用电力线路和电力设备的容量。
２对电力设备的危害
电力谐波还可能会引起补偿电容与系统阻抗的谐振，从而使电容器出现过电流和过负荷，加速了电容器的老化，严重时还可能造成电容器的爆炸。
谐波还会使电力变压器的铜损耗、铁芯中的涡流损耗及杂散损耗增加，同时还会引起变压器的噪声增大。
由于导体对交流电流的集肤效应与频率有关，频率越高，集肤效应越明显。因此，谐波电流会加重电力线路的集肤效应，导致导体的交流电阻增大。
３对电力测量设备的影响
目前采用的电力测量仪表中有大量感应型仪表，它们受谐波的影响较大。特别是感应型电能表，当谐波较大时会产生计量混乱，测量不准确。
一、 谐波抑制
大型商厦和写字楼，在这些建筑中存在着大量的个人计算机等办公自动化设备、变频空调等家用电器、照明电源及不间断电源等。这些设备都会在电网中产生大量的零序谐波电流，即使它们的单台功率较小，但因其总数庞大，所带来的谐波污染是极其严重的。
为了抑制系统中的零序谐波电流，目前主要采用下列方式：
(1)采用基于电力电容器、电抗器和电阻组合的传统无源调谐滤波器进行补偿。
(2)利用三相三桥臂或三相四桥臂的有源电力滤波器对电网中的零序及其它次谐波进行统一补偿。
(3)利用变压器的三角形绕组对零序谐波电流提供低阻通路，使得零序谐波电流不能进入系统高压侧。
由于无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点而在电力系统谐波抑制中得到了广泛应用。但由于无源滤波器是通过电感和电容的谐振原理来为谐波电流提供低阻通路以滤除谐波的，它存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大；②只能消除特定的几次谐波，而可能对某一次谐波产生放大作用；③滤波要求、无功补偿及调压要求难以谐调；④谐波电流增大时，容易造成电容器过负荷爆炸；⑤电容器参数随着介质老化容易发生变化，从而使滤波器出现失谐现象，降低滤波效果；⑥有效材料的消耗多，占地面积大。
值得提出的是，无源电力滤波器虽然可以有效滤除非零序的各次谐波，但它对于零序谐波的滤除效果却不尽理想。特别是对系统和设备危害较大的３次谐波，由于其次数接近工频，因而很难达到设计应用要求。
与无源滤波方案相对应的还有有源滤波方案。20世纪70年代初，由日本学者提出了有源电力滤波器（APF）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相同、相位恰好相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，具体表现为：①具有自适应能力，可实现动态补偿，可对频率和大小不断变化的谐波以及无功进行同时补偿，响应速度快；②不受电网参数的影响；③不会发生谐振和谐波放大。
尽管APF有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前取代无源滤波器还不太现实。主要是APF成本太高，可靠性较低等原因限制了它的推广应用。
本项目提出的基于磁通补偿的零序滤波方案延用了LC调谐滤波器的谐波滤除原理，但具有无电容拓扑，不存在谐振及谐波放大问题，保留了无源滤波器投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。因此，本项目所提出的基于磁通补偿原理的零序谐波滤除方案在低压配电网滤波中具有显著的技术优越性和巨大的应用价值。
二 、项目研究
一般地，零序电流在系统中性线中流通，包括负载不平衡的基波电流、3次、9次、15次等3倍频次谐波电流。和三相正序、负序电流在中性线互相抵消不同，零序电流由于三相大小相等、相位相同在中性线上表现为叠加的效果。本项目提出的基于曲折移相的无电容拓扑零序滤波器，就是根据零序电流的特点，通过特殊磁路结构及绕组接线，在电源和负载之间实现零序低阻通道，将负载产生的基波不平衡、３倍频高次谐波电流等零序电流导入，避免了零序电流主要成分通过系统形成回路，从而达到滤波的效果。图１所示为一个简化的滤波器原理拓扑。图２为对应的电路接线和矢量图。
图１、简化曲折接线零序滤波电抗器拓扑
图２、曲折接线零序滤波电抗器的电路接线和矢量图
滤波器为全铁心结构，每相铁心上分布有匝数相同的两组绕组，三相轮换曲折反极性连接。由于零序電流矢量总是大小相等、方向相同，如图１中，，。因此，一个线圈在一个心柱内产生的零序磁通将被绕在同一个心柱上的另外一个线圈产生的零序磁通抵消，这就使得装置呈现出的零序阻抗很小，如果采用并绕工艺来制作电抗器，则绕组间的漏磁可以忽略不计，因此零序滤波电抗器的零序阻抗基本等于绕组的电阻（非常小），因此零序滤波电抗器可引导负载的零序谐波电流就近形成回路以避免注入系统，扩大影响范围。
零序滤波电抗器接入系统后电路拓扑如下图３所示，图中为系统阻抗，为系统侧中线阻抗，为负载侧中性线阻抗，为滤波器零序阻抗。图４所示为简化的零序等效回路。
图３、零序滤波电抗器接入系统的电路拓扑
图４、简化零序等效电路
由图３和图４知，系统内的零序谐波电源在用户侧，由不平衡负荷和非线性负荷产生。在安装零序滤波电抗器后，系统侧的零序谐波电流大小可由下式表示：
由上式可以知，由于零序滤波器的零序阻抗很小，因此，安装零序滤波电抗器后，注入系统侧的零序谐波电流将会减小到非常小的程度，这样就有效地保证了系统侧电源的电能质量。
三、滤波电抗器设计
3.1滤波电抗器铁心结构
由滤波电抗器的滤波原理我们知道，它是通過三相间绕组磁通的相互补偿来实现零序谐波低阻通道的，因此，三相磁路的对称性问题就显得比较重要。铁心磁路的三相对称结构再加上绕组的并绕工艺，就可以最大限度地减小电抗器的零序阻抗。为此，我们舍弃了普通三相电抗器及变压器常用的三柱式平面结构，提出了一种空间对称性较好的三柱式“品”字型结构。
滤波电抗器铁芯采用了“品”字形三柱对称式结构，共有六个绕组分布在三个心柱上，每个心柱上并行绕了２个绕组。三相绕组间采用曲折型连接，并抽出中性点接至系统零线；滤波电抗器本体采用了空间完全对称、空间互差120°的三个铁心柱和两个完全一致的圆环形铁轭构成，以实现三相磁路的完全对称。铁心均采用了导磁性能好、涡流损耗小的材料，绕组线圈采用扁铜线绕制。
3.2滤波电抗器参数
实验电路测定了零序滤波电抗器的零序阻抗的大小情况。对应四台滤波电抗器的零序阻抗参数如下表所示：
表１、零序滤波电抗器零序阻抗
四、开关屏柜设计
零序滤波电抗器开关屏柜，最上端为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电压表，分别测量系统的三相相电压；中间为对应Ａ、Ｂ、Ｃ三相及中线Ｎ的四块电流表，谐波电流流过Ａ、Ｂ、Ｃ三相后在中线Ｎ中叠加，因此中线Ｎ中的电流为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电流表之和；最下端为开关指示灯及开关按钮，用于控制交流接触器投切零序滤波器。
五、项目特色
通过基于磁通补偿原理的曲折接线的电抗器来实现谐波电流的低阻通道，原理较新颖。
滤波电路不含电容，具有无电容拓扑，不会引起谐波放大问题，但能够实现比传统LC调谐滤波器更好的滤波效果。
它保留了无源滤波器投资少、效率高、结构简单的优点。
具有非常强的过载能力，运行可靠，免于维护。
可以有效降低低压配电网配电变压器的噪声和有功损耗，提高城市供电可靠性和节能效益，消除零序谐波电流造成的火灾隐患。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词；谐波 控制
Abstract: the utility grid harmonics caused great pollution, it and electromagnetic interference and power factor and reduce power system called "three social effects of pollution". This article through the magnetic flux compensation type zero sequence filtering device development, practice and research proves, the magnetic flux compensation type zero sequence filter unit can harmonic pollution management, compensation reactive power, balanced three-phase, low voltage distribution network is to improve power quality effective means.
Keywords: harmonic control
中图分类号：TM477 文献标识码：A 文章编号：
随着城市化的快速发展，大型商厦及写字楼不断增加，这些建筑中存在大量的计算机、办公自动化设备、变频空调、节能灯具及各种类型的非线性用电设备产生谐波。电力谐波的危害是多方面的，主要体现在以下几个方面：
1对供配电线路的危害
电力系统谐波影响线路的稳定运行，由于供配电系统中的电力线路和电力变压器多采用电磁式继电器和感应式继电器作为保护装置，以保证线路与设备在故障情况下的安全运行，但这些保护装置容易受谐波影响，产生误动，严重威胁供配电系统的安全稳定运行。
电力系统谐波同时还会影响电网的电压质量，谐波电流流过系统阻抗时会产生谐波电压降，从而使电压波形发生畸变，进而影响其它用户的电力设备。谐波电流与各次谐波电压还会形成谐波有功和谐波无功，占用电力线路和电力设备的容量。
２对电力设备的危害
电力谐波还可能会引起补偿电容与系统阻抗的谐振，从而使电容器出现过电流和过负荷，加速了电容器的老化，严重时还可能造成电容器的爆炸。
谐波还会使电力变压器的铜损耗、铁芯中的涡流损耗及杂散损耗增加，同时还会引起变压器的噪声增大。
由于导体对交流电流的集肤效应与频率有关，频率越高，集肤效应越明显。因此，谐波电流会加重电力线路的集肤效应，导致导体的交流电阻增大。
３对电力测量设备的影响
目前采用的电力测量仪表中有大量感应型仪表，它们受谐波的影响较大。特别是感应型电能表，当谐波较大时会产生计量混乱，测量不准确。
一、 谐波抑制
大型商厦和写字楼，在这些建筑中存在着大量的个人计算机等办公自动化设备、变频空调等家用电器、照明电源及不间断电源等。这些设备都会在电网中产生大量的零序谐波电流，即使它们的单台功率较小，但因其总数庞大，所带来的谐波污染是极其严重的。
为了抑制系统中的零序谐波电流，目前主要采用下列方式：
(1)采用基于电力电容器、电抗器和电阻组合的传统无源调谐滤波器进行补偿。
(2)利用三相三桥臂或三相四桥臂的有源电力滤波器对电网中的零序及其它次谐波进行统一补偿。
(3)利用变压器的三角形绕组对零序谐波电流提供低阻通路，使得零序谐波电流不能进入系统高压侧。
由于无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点而在电力系统谐波抑制中得到了广泛应用。但由于无源滤波器是通过电感和电容的谐振原理来为谐波电流提供低阻通路以滤除谐波的，它存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大；②只能消除特定的几次谐波，而可能对某一次谐波产生放大作用；③滤波要求、无功补偿及调压要求难以谐调；④谐波电流增大时，容易造成电容器过负荷爆炸；⑤电容器参数随着介质老化容易发生变化，从而使滤波器出现失谐现象，降低滤波效果；⑥有效材料的消耗多，占地面积大。
值得提出的是，无源电力滤波器虽然可以有效滤除非零序的各次谐波，但它对于零序谐波的滤除效果却不尽理想。特别是对系统和设备危害较大的３次谐波，由于其次数接近工频，因而很难达到设计应用要求。
与无源滤波方案相对应的还有有源滤波方案。20世纪70年代初，由日本学者提出了有源电力滤波器（APF）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相同、相位恰好相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，具体表现为：①具有自适应能力，可实现动态补偿，可对频率和大小不断变化的谐波以及无功进行同时补偿，响应速度快；②不受电网参数的影响；③不会发生谐振和谐波放大。
尽管APF有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前取代无源滤波器还不太现实。主要是APF成本太高，可靠性较低等原因限制了它的推广应用。
本项目提出的基于磁通补偿的零序滤波方案延用了LC调谐滤波器的谐波滤除原理，但具有无电容拓扑，不存在谐振及谐波放大问题，保留了无源滤波器投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。因此，本项目所提出的基于磁通补偿原理的零序谐波滤除方案在低压配电网滤波中具有显著的技术优越性和巨大的应用价值。
二 、项目研究
一般地，零序电流在系统中性线中流通，包括负载不平衡的基波电流、3次、9次、15次等3倍频次谐波电流。和三相正序、负序电流在中性线互相抵消不同，零序电流由于三相大小相等、相位相同在中性线上表现为叠加的效果。本项目提出的基于曲折移相的无电容拓扑零序滤波器，就是根据零序电流的特点，通过特殊磁路结构及绕组接线，在电源和负载之间实现零序低阻通道，将负载产生的基波不平衡、３倍频高次谐波电流等零序电流导入，避免了零序电流主要成分通过系统形成回路，从而达到滤波的效果。图１所示为一个简化的滤波器原理拓扑。图２为对应的电路接线和矢量图。
图１、简化曲折接线零序滤波电抗器拓扑
图２、曲折接线零序滤波电抗器的电路接线和矢量图
滤波器为全铁心结构，每相铁心上分布有匝数相同的两组绕组，三相轮换曲折反极性连接。由于零序電流矢量总是大小相等、方向相同，如图１中，，。因此，一个线圈在一个心柱内产生的零序磁通将被绕在同一个心柱上的另外一个线圈产生的零序磁通抵消，这就使得装置呈现出的零序阻抗很小，如果采用并绕工艺来制作电抗器，则绕组间的漏磁可以忽略不计，因此零序滤波电抗器的零序阻抗基本等于绕组的电阻（非常小），因此零序滤波电抗器可引导负载的零序谐波电流就近形成回路以避免注入系统，扩大影响范围。
零序滤波电抗器接入系统后电路拓扑如下图３所示，图中为系统阻抗，为系统侧中线阻抗，为负载侧中性线阻抗，为滤波器零序阻抗。图４所示为简化的零序等效回路。
图３、零序滤波电抗器接入系统的电路拓扑
图４、简化零序等效电路
由图３和图４知，系统内的零序谐波电源在用户侧，由不平衡负荷和非线性负荷产生。在安装零序滤波电抗器后，系统侧的零序谐波电流大小可由下式表示：
由上式可以知，由于零序滤波器的零序阻抗很小，因此，安装零序滤波电抗器后，注入系统侧的零序谐波电流将会减小到非常小的程度，这样就有效地保证了系统侧电源的电能质量。
三、滤波电抗器设计
3.1滤波电抗器铁心结构
由滤波电抗器的滤波原理我们知道，它是通過三相间绕组磁通的相互补偿来实现零序谐波低阻通道的，因此，三相磁路的对称性问题就显得比较重要。铁心磁路的三相对称结构再加上绕组的并绕工艺，就可以最大限度地减小电抗器的零序阻抗。为此，我们舍弃了普通三相电抗器及变压器常用的三柱式平面结构，提出了一种空间对称性较好的三柱式“品”字型结构。
滤波电抗器铁芯采用了“品”字形三柱对称式结构，共有六个绕组分布在三个心柱上，每个心柱上并行绕了２个绕组。三相绕组间采用曲折型连接，并抽出中性点接至系统零线；滤波电抗器本体采用了空间完全对称、空间互差120°的三个铁心柱和两个完全一致的圆环形铁轭构成，以实现三相磁路的完全对称。铁心均采用了导磁性能好、涡流损耗小的材料，绕组线圈采用扁铜线绕制。
3.2滤波电抗器参数
实验电路测定了零序滤波电抗器的零序阻抗的大小情况。对应四台滤波电抗器的零序阻抗参数如下表所示：
表１、零序滤波电抗器零序阻抗
四、开关屏柜设计
零序滤波电抗器开关屏柜，最上端为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电压表，分别测量系统的三相相电压；中间为对应Ａ、Ｂ、Ｃ三相及中线Ｎ的四块电流表，谐波电流流过Ａ、Ｂ、Ｃ三相后在中线Ｎ中叠加，因此中线Ｎ中的电流为Ａ、Ｂ、Ｃ三相电流表之和；最下端为开关指示灯及开关按钮，用于控制交流接触器投切零序滤波器。
五、项目特色
通过基于磁通补偿原理的曲折接线的电抗器来实现谐波电流的低阻通道，原理较新颖。
滤波电路不含电容，具有无电容拓扑，不会引起谐波放大问题，但能够实现比传统LC调谐滤波器更好的滤波效果。
它保留了无源滤波器投资少、效率高、结构简单的优点。
具有非常强的过载能力，运行可靠，免于维护。
可以有效降低低压配电网配电变压器的噪声和有功损耗，提高城市供电可靠性和节能效益，消除零序谐波电流造成的火灾隐患。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。