李 承，邹云屏
(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市430074)
摘要：研究了中低压电网中由非线性负载产生谐波的机理，提出所有由非线性负载直接引起的谐波是电流谐波，因而治理非线性负载引起的谐波应首先考虑治理谐波电流。同时，从补偿和滤波两种思想出发，指出并联型谐波补偿有源电力滤波器(APF )的补偿作用和串联型基波补偿APF 的滤波作用可适用于非线性负载谐波电流的抑制。仿真结果验证了理论分析的正确性。关键词：有源电力滤波器；非线性负载；谐波特性；补偿与滤波特性中图分类号:TM761;TN713.8 莫氏变径套收稿日期:2003202211；修回日期:2003203205。
0 引言
电力系统中的谐波已越来越受到人们的关注，而治理谐波的手段与方法也在不断地更新和发展。许多文献从不同的角度对电力谐波的产生和谐波的治理进行了详细讨论。特别是对于有源电力滤波器(APF ———active power filter )的研究[1～4]，已成为一个新兴的、跨学科综合性研究领域。
根据APF 接入电力系统方式的不同，可分为并联型医用镊子
APF 和串联型APF 。要真正用好APF ，不仅应对电力系统中谐波产生的机理有充分的认识，还应对APF 的特性及作用有清楚的了解。只有这样才能使APF 更有效、更可靠地在系统中发挥应有的作用。
为此，本文研究了由非线性负载产生的谐波和APF 补偿主回路的特性，指出非线性负载产生谐波的直接形式为电流谐波，它可以转换为电压谐波。在此基础上，提出了针对非线性负载产生的谐波电流应采用的并联或串联滤波方法。
1 非线性负载产生的谐波及其形式的变化
电网中谐波有2种表现形式，即谐波电流和谐波电压。虽然这2种形式谐波产生的途径不同，但在电路中可以相互转换。
对于中低压电网(如城域网)来说，谐波主要来源于电力用户的非线性负载，对于这种谐波源，应该从根本上治理[5]。因为由非线性负载产生的谐波首先是以电流形式出现的，由电路理论可知，电源向负载供电可以用图1所示的电路等效。 图1 供电等效电路
Fig.1 Equivalent circuit of pow er supply
由图1可知，当负载未向电源索取电流时(如负载开路)，电路中没有电流，当然也没有谐波电流，此时电源端电压u =u s ，是单一频率正弦电压；当负载向电源索取电流时，或者说，当电源电压加在负载上时，电路中才有电流。如果负载为非线性负载，则电流中也就包含了谐波电流。因此，非线性负载接入电路，要向电源索取电流，其中包含谐波电流。换句话说，由非线性负载直接产生的谐波形式是谐波电流，或者说非线性负载作为谐波源应视为谐波电流源。
当然，电路中的谐波电流与谐波电压是可以转化的。当谐波电流流经电源内部等效阻抗Z s 时，在阻
抗Z s 上产生谐波电压u z ，此时电源端电压u =u s +u z 。显然,u 中包含了谐波电压，即电路中的谐波电流转换成了谐波电压。如果此时电源向其他负载供电，这种电源中含有的谐波电压又会在其他负载中形成谐波电流，即电源中的谐波电压又会转换为谐波电流。
由以上分析可知，要治理由非线性负载产生的谐波，从根本上来说，应该从治理谐波电流入手。治理了非线性负载产生的谐波电流，也就间接地抑制了由谐波电流产生的电源端谐波电压。
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3第27卷 第20期2003年10月25日 电力系统自动化Autormation of Electric Power Systems
Vol.27 No.20
Oct.25,2003
2 APF 的补偿与滤波特性
采用APF 补偿电力谐波，已有许多文献[6～11]
讨论过。但是,APF 的补偿特性的深入研究并不多见。特别是从滤波的本质特性分析APF 更是为数甚
少。本文从补偿和滤波两方面出发，讨论在抑制非线性负载产生的谐波时APF 表现出的特性和对谐波的补偿及滤波作用。
如果电源中的电流只包含基波而没有谐波，则此时电源端电压为u =u s -i 1Z s1(其中i 1,Z s1分别为基波电流和电源基波阻抗)，显然,u 中不含有谐波电压。因此，针对非线性负载可以视为谐波电流源这一特点，要使其产生的谐波电流不对电源侧造成影响，可通过治理负载产生的谐波电流来实现，即只要使电源中不含有谐波电流即可。治理非线性负载产生的谐波电流可从以下2个方面考虑。2.1 基于补偿思想
从补偿的思想出发，要使非线性负载中的谐波电流不流经电源，则应该有一个谐波电流源为非线性负载另外提供谐波电流，即电源只向负载提供基波电流，而谐波电流源承担向负载提供谐波电流的任务。其等效电路如图2所示。其中,i L =i s +i c ,i L 为非线性负载中的电流,i s 为电源提供的基波电流,i c 为谐波电流源提供的谐波电流。只要i s 中不含有谐波，则电源端电压u 中就没有谐波
。
图2 谐波电流补偿等效电路
Fig.2 Equivalent circuit of parallel compensating
harmonic currents
为了得到一个谐波电流源，并向非线性负载提供所需的谐波电流，可以利用APF 的补偿特性，采用并联型谐波补偿APF 实现谐波电流。其原理如图3所示。此时，电源中只有基波电流，没有谐波电流，电源的端电压(即负载电压)只包含有基波电压，没有谐波电压。若电源还向其他负载供电，则不会因为电源本身包含谐波而对接到电源上的其他负载产生干扰。
另一方面，由于串联型谐波补偿APF 不能提供补偿所需的谐波电流，故不能用于非线性负载产生的谐波电流的补偿。然而，若用串联型谐波补偿APF 补偿电路中的谐波电压，则可以使负载两端电压为正弦波。但电源中的电流依然包含谐波,
电源
图3 并联型谐波补偿APF
Fig.3 P arallel compensating harmonic currents APF
的端电压u 中也包含谐波，对接在电源上的其他负载依然会产生干扰。
因此，试图用串联型谐波补偿APF 补偿非线性负载所产生的谐波电流的方法是行不通的。这一结论应该引起充分注意。2.2 基于滤波思想
从滤波的思想出发，要使非线性负载中的谐波电流不流经电源，即滤去电源电路中的谐波电流，可从以下2个方面采取措施:①为谐波电流提供一个通路，它对于谐波电流应呈低阻抗或零阻抗，对于基波电流应呈高阻抗，该通路应并联在电源与负载之间;②可以在负载与电源之间增加一个对于谐波电流呈高阻抗，而对基波电流呈低阻抗或零阻抗的支路，该支路应串联在负载与电源之间。
复合滤波器的等效电路如图4所示。图中,Z h
对谐波电流呈高阻抗，对基波电流呈低阻抗或零阻抗;Z b 对基波电流呈高阻抗，对谐波电流呈低阻抗或零阻抗。此时，谐波电流不流经Z h 和电源，基波电流不流经Z b 。由等效电路可知，此时电源中没有谐波电流，电源两端也没有谐波电压；负载中有谐波电流，但负载两端没有谐波电压
。
图4 复合滤波等效电路
Fig.4 Equivalent circuit of combining f ilters
Z h 和Z b 可以分别用有源电力滤波器(APF )和无源电力滤波器(PPF )的滤波特性实现。其中，并联的低(零)谐波阻抗支路可采用LC 组成的PPF 实现，也可以采用并联型谐波补偿APF 实现。当然，从
成本和滤波器功率考虑采用LC 组成的PPF 更为合适。串联在电源与负载之间的高谐波阻抗支路，可以采用串联型基波磁通补偿APF [6]实现。
用PPF 和APF 构成的复合滤波器原理如图5所示。
23 电 力 系 统 自 动 化 2003,27(20)
聚氨酯浆料图5 PPF,APF 复合滤波电路
Fig.5 Combining circuit of APF &PPF
应该注意到，正是串联型基波磁通补偿APF 对
于基波电流呈低阻抗，而对所有谐波电流均呈高阻抗的特性，才使它可以串联在电源与负载之间作为滤波器使用。当然，其他具备这一特性的支路也应该可以承担起这种滤波任务。
3 仿真研究
根据以上分析，分别按图3
和图5
电路进行仿真实验,
仿真波形如图6～图9所示。
图6 非线性负载引起的电压和电流畸变
Fig.6 Distortion of voltage ¤t caused
by nonlinear loads
图7 加并联型谐波补偿APF 补偿后的波形
Fig.7 W aveforms with parallel APF
图8 加PPF 补偿后的波形Fig.8 W aveforms with PPF
图9 PPF,APF 复合滤波电路的波形
Fig.9 W aveforms with combining circuit of APF &PPF
仿真电路中负载为可控桥式整流、电容滤波电路。对于图3中的补偿电流，用并联型谐波补偿APF 实现，对于图5中的2个滤波支路，分别用三次谐波LC 谐振支路构成的PPF 和基波磁通补偿串联型APF 电路实现。仿真结果与分析所得到的结论完全一致。
4 结论
通过对非线性负载产生谐波形式的分析，并分别从补偿和滤波两种思想出发，对非线性负载产生谐波采用不同的抑制策略的研究，可以得到以下几点结论:
a.非线性负载直接产生的谐波形式为谐波电
3
3・学术研究・ 李 承等 有源电力滤波器抑制谐波的机理分析
流，谐波电流流过电源等效电阻时转变为电源端的
谐波电压。
b.治理非线性负载引起的谐波应首先考虑治理谐波电流，而不是治理谐波电压。
c.治理非线性负载引起的谐波电流可以采用2种方法:①采用并联型谐波补偿APF 为负载提供谐波电流，从而使电源电流和电源端电压也保持为正弦波;②采用并联PPF 与串联型基波磁通补偿APF 结合构成复合滤波器，也可以滤去电源电流和电压中的谐波。
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光碟机李 承(1957—)，男，副教授，主要从事电网理论、神经网络理论及应用、电力谐波治理理论与应用研究。E 2mail :cheng-lyb @
邹云屏(1945—
)，男，教授，博士生导师，主要从事电力电子装置和系统及其控制技术、电力电子系统的计算机仿真、电力电子在电力系统中的应用研究。
ACTIVE POWER FI LTER T O SUPPRESS HARMONIC CAUSE D B Y N ON L INEAR LOAD
L i Cheng ,Zou Y unping (Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )
Abstract :The mechanism of harmonic caused by
nonlinear loads in power systems with medium or low voltage is analyzed.It is put forward that the harmonic directly caused by nonlinear loads is current harmonic ,which should be su ppressed firstly rather than harmonic voltage.From the idea of com pensation and filtering ,the parallel compensating harmonic APF and series com pensating fundamental wave APF are suitable for su ppressing harmonic current.The correctness of the analysis is verified by simulation results.K ey w ords :nonlinear loads ;harmonics characteristic ;active power filter (APF );characteristic of compensation and filtering
43 电 力 系 统 自 动 化 2003,27(20)
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