淺析諧波危害與有源濾波 安科瑞鮑靜君

摘要：諧波的出現(xiàn)，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行是一種“污染”，它們降低了系統(tǒng)電壓、電流正弦波形的質(zhì)量，不但嚴(yán)重地影響電力系統(tǒng)自身運(yùn)行，而且還危及用戶和周圍的通信系統(tǒng)。本文通過分析諧波的危害，并提出采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理的方案。

關(guān)鍵詞： 污染；諧波危害；有源電力濾波器；治理

0 引言

近半個(gè)世紀(jì)以來，隨著電力電子設(shè)備的推廣應(yīng)用，非線性負(fù)荷的迅速增加，特別是高壓直流輸電的運(yùn)用，使得諧波污染問題日趨嚴(yán)重，并因此受到人們普遍的關(guān)注和重視。減小諧波影響的技術(shù)措施可以從兩方面入手：一是從諧波源出發(fā)，減少諧波的產(chǎn)生；二是安裝濾波裝置。常見的濾波器包括無源濾波器和有源濾波器。然而，無源濾波器的濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并容易受溫度漂移、網(wǎng)絡(luò)上諧波污染程度、濾波電容老化及非線性負(fù)荷的影響，且僅能對(duì)特定的諧波進(jìn)行有效地衰減，而出于經(jīng)濟(jì)和占地面積方面的考慮，濾波器個(gè)數(shù)均是有限的，所以對(duì)諧波含量豐富的場(chǎng)合，無源濾波器的濾波效果往往不夠理想。有源電力濾波器采用開關(guān)變換器消除諧波電流，克服了無源濾波器的缺點(diǎn)。有源電力濾波器有著無源濾波器無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此越來越受到人們的關(guān)注。

1 諧波的產(chǎn)生與危害

由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是非線性電力設(shè)備如有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，使得基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要諧波產(chǎn)生源見表1-1。

表1-1  諧波產(chǎn)生源

諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會(huì)使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。諧波會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲等，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)，特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失；諧波還會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。臨近的諧波源或較高次諧波會(huì)對(duì)通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，計(jì)算機(jī)無法正常工作；重則導(dǎo)致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。

據(jù)美國(guó)官方統(tǒng)計(jì)：近20年來，全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量引起的重大電力事故已達(dá)20多起，每年因電能質(zhì)量擾動(dòng)和電氣環(huán)境污染引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億美元！2000年4月10日，晉東南電網(wǎng)因運(yùn)行方式的需要，220kV霍長(zhǎng)線停電檢修，220kV長(zhǎng)治變由漳澤電廠通過220kV漳長(zhǎng)I回單獨(dú)供電，向地區(qū)網(wǎng)輸送140MW，系統(tǒng)運(yùn)行正常；20時(shí)18分，太焦電鐵三座牽引站產(chǎn)生的諧波和負(fù)序電流經(jīng)110kV系統(tǒng)注入220kV系統(tǒng)，引起該線路送漳澤電廠出線211開關(guān)的JGX—11A型晶體管相差高頻保護(hù)誤動(dòng)作，造成晉東南電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故，巴公電廠周波降為45.7Hz，與電網(wǎng)解列44分鐘，晉東南11個(gè)變電站停電，電氣鐵道停電20多分鐘，電網(wǎng)和用戶均受到較大的損失。

諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴(yán)重，世界各國(guó)都對(duì)諧波問題予以充分關(guān)注。上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見表1-2：

表1-2  公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值

 2 有源電力濾波器

有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償。之所以稱為有源，是相對(duì)于無源LC濾波器，只能被動(dòng)吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。

安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償，原理如圖2-1所示：

圖2-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖 

安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數(shù)和報(bào)價(jià)方案分別見表2-1和表2-2。

 表2-1   ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù)

 表2-2  ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單

注：以上技術(shù)參數(shù)或器件名稱、數(shù)量如有更改，恕不另行通知。

 3 有源濾波方案及案例

使用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，主要有集中、局部和就地補(bǔ)償三種方案。集中補(bǔ)償適用于單臺(tái)設(shè)備諧波含量小，但設(shè)備數(shù)量多、布局分散的場(chǎng)合，比如辦公大樓(主要設(shè)備是個(gè)人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等)，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但整棟大樓的電流大，諧波電流也大。局部補(bǔ)償適用于諧波源集中在某一條或幾條饋出支路的配電系統(tǒng)，比如醫(yī)院的精密儀器、UPS電源等，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)其干擾，采用局部諧波補(bǔ)償。就地補(bǔ)償適用于諧波源比較明確且單臺(tái)設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng)，比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等，單臺(tái)設(shè)備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設(shè)備，采用就地補(bǔ)償。

上海某工廠辦公大樓內(nèi)安裝有大量的節(jié)能燈，另外還有變頻空調(diào)、電梯等負(fù)載，產(chǎn)生了大量的電流諧波，導(dǎo)致變壓器容量不足，夏季、冬季經(jīng)常出現(xiàn)跳閘、燒保險(xiǎn)絲的情況，嚴(yán)重影響辦公。安科瑞電氣股份有限公司派工程師對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3-1所示。從圖中可以看到電流波形嚴(yán)重畸變，A、B、C三相電流諧波畸變率分別為19.7%、27.8%、26.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)規(guī)定。同時(shí)三相負(fù)載明顯不平衡。經(jīng)分析得知電流諧波主要是由于一次回路后段照明配出回路和變頻空調(diào)等動(dòng)力回路產(chǎn)生，應(yīng)采用局部補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行治理，型號(hào)為ANAPF50-380/BGL的有源電力濾波器適用于該辦公大樓的諧波治理。方案如圖3-2所示。

圖3-1  治理前電流波形與諧波數(shù)據(jù)

圖3-2  ANAPF局部補(bǔ)償方案圖

 4 諧波治理效果

ANAPF投入運(yùn)行后，得到如圖4-1所示的理想波形和測(cè)試數(shù)據(jù)，相電流較大值從64A降低到47A，N線電流從治理之前的37A降到了5A，實(shí)現(xiàn)了三相基本平衡，電流諧波畸變率降低到3.4%以下。同時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)也從之前的0.87升到了0.99。自從使用ANAPF有源電力濾波器之后，該辦公大樓整個(gè)冬季沒有出現(xiàn)跳閘、燒保險(xiǎn)絲的情況，使得變壓器的容量得到了充分利用。

圖4-1  治理后電流波形與諧波數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)

[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[2]季曉春.有源濾波器的原理和選型計(jì)算.

[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊(cè)2014.1版.

板載式ANAPF有源濾波器產(chǎn)品介紹  安科瑞鮑靜君

1 引言

    近年來，電力電子技術(shù)不斷地創(chuàng)新、發(fā)展，電力電子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于人們的生活、學(xué)習(xí)、工作中，常用的充電裝置、計(jì)算機(jī)、UPS等都是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。這些設(shè)備的發(fā)明和使用給社會(huì)帶來極大的便利，但隨著這些設(shè)備的大量應(yīng)用，電能質(zhì)量問題也十分突出。諧波作為目前危害電能質(zhì)量的首要因素，受到了供用電雙方的高度重視。社會(huì)上已經(jīng)有許多電能質(zhì)量解決方案，并已經(jīng)形成一個(gè)規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)，安科瑞電氣就是其中的領(lǐng)先者。

2 諧波的產(chǎn)生和治理

    諧波是什么？諧波通俗的來說就是指電流中所含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，我們常說的N次諧波，它們的頻率就是基波的N倍；從廣義上來說，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這也就是為什么有時(shí)會(huì)有“間諧波”（非整數(shù)倍工頻頻率）的說法。

2.1 諧波的產(chǎn)生

    在只含線性元件（電阻等）的線路中，流過的電流與施加的電壓成正比，電流波形為正弦波。而諧波產(chǎn)生的根本原因就是由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成正比關(guān)系造成的波形畸變。當(dāng)電力系統(tǒng)向含有非線性元器件的設(shè)備供電時(shí)，這些設(shè)備不光變換、吸收系統(tǒng)的電能，還會(huì)把部分基波轉(zhuǎn)換成諧波，倒送入系統(tǒng)，污染電網(wǎng)。生活中常有的照明燈光、電視畫面明暗閃爍等情況，都和諧波有關(guān)。

2.2 諧波的危害

    在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，諧波會(huì)降低變壓器容量、減小線纜載流能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成突然電力中斷，造成重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失；在生產(chǎn)企業(yè)中，諧波會(huì)干擾通訊信號(hào)，還會(huì)引起元器件誤動(dòng)作，降低設(shè)備穩(wěn)定性導(dǎo)致殘次品率增加，還會(huì)加速設(shè)備老化縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能損壞設(shè)備甚至引起火災(zāi)。

2.3 產(chǎn)生諧波的設(shè)備

產(chǎn)生諧波的設(shè)備一般是非線性設(shè)備，主要分為以下幾類：

    （1） 具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等；

    （2） 以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；

    （3） 以電力電子元件為基礎(chǔ)的設(shè)備，如開關(guān)電源、變流裝置、調(diào)壓裝置等。

一些常見的產(chǎn)生諧波的負(fù)載及其諧波量可參見表1。

表1常見諧波負(fù)載的諧波含量

2.4 諧波治理方案

    目前諧波治理的措施主要有3種：受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高他們的抗諧波干擾能力；主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生或減少諧波；被動(dòng)治理，即外加濾波裝置阻止諧波注入電網(wǎng)。被動(dòng)治理是目前采用較廣泛的諧波治理方案。

    外加的濾波裝置有兩種，分別是無源濾波裝置和有源濾波裝置，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。無源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，初期投入小，但是只能濾除固定次數(shù)的諧波且易與電網(wǎng)發(fā)生諧振；有源濾波裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，但是補(bǔ)償效果好，后期維護(hù)方便，維護(hù)成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應(yīng)用的諧波治理方式。 

3 板載式有源濾波裝置產(chǎn)品介紹

    ANAPF板載式有源濾波裝置是我公司研發(fā)的電能補(bǔ)償裝置的一種，采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，基于高速全數(shù)字控制方式的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。與傳統(tǒng)無源濾波器（相當(dāng)于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)）相對(duì)比，有源濾波裝置通過IGBT逆變模塊實(shí)現(xiàn)了各次諧波的動(dòng)態(tài)濾除。

3.1 ANAPF板載式有源濾波裝置工作原理

    ANAPF板載式有源濾波裝置可以通過外部電流互感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計(jì)算，提取并計(jì)算出負(fù)載電流的諧波成分，然后通過PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中抵消對(duì)應(yīng)諧波電流，達(dá)到濾波目的。工作原理圖及補(bǔ)償示意如圖1所示。 

圖1 ANAPF工作原理及對(duì)應(yīng)波形示意

3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結(jié)構(gòu)介紹及優(yōu)勢(shì)分析

    ANAPF板載式有源濾波裝置相較于公司前期的立柜式產(chǎn)品來說，體積更小、重量更輕、方便安裝、更美觀，這對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安排和內(nèi)部集成度有了更高的要求。我司生產(chǎn)的ANAPF有源濾波裝置分為兩種安裝方式 ，其主要參數(shù)如下：

壁掛式板載模塊外觀如圖2所示：

抽屜式板載模塊外觀如圖3所示：

    其中壁掛式結(jié)構(gòu)適用于負(fù)荷容量較小或場(chǎng)地緊湊的場(chǎng)合，一般推薦為單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)使用；抽屜式結(jié)構(gòu)多采用多模塊并聯(lián)安裝在抽屜柜體中的安裝方式，可根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償容量需求增減柜體內(nèi)模塊數(shù)量，適用于大負(fù)荷容量的場(chǎng)合。目前我司常規(guī)產(chǎn)品較大為6個(gè)模塊組合，并且正在向更多模塊數(shù)，更大容量化方面研究與發(fā)展。其抽屜柜安裝效果圖如圖4所示。

    該方式相對(duì)于傳統(tǒng)整柜式有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

    （1）每個(gè)模塊容量為50A（可在適當(dāng)范圍內(nèi)浮動(dòng)），相同的柜體格局下有更多容量選擇，并可根據(jù)客戶實(shí)際需求增加模塊數(shù)量至6個(gè)以上（需加寬柜體尺寸，效果可參照?qǐng)D5）；

    （2）可根據(jù)負(fù)載使用變化隨時(shí)增、減APF設(shè)備的容量（加、減模塊數(shù)量即可，并對(duì)人機(jī)界面作相應(yīng)參數(shù)設(shè)置）；

    （3）每個(gè)模塊單獨(dú)安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風(fēng)扇，散熱效果良好，故障率低；

    （4）多個(gè)模塊之間雖有通訊連接，但各臺(tái)的故障并不會(huì)相互影響其它模塊繼續(xù)工作（補(bǔ)償容量會(huì)相應(yīng)減?。?/SPAN>

    （5）后期維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)故障模塊單獨(dú)維修、更換；維護(hù)期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。

    （6）結(jié)構(gòu)精巧，設(shè)計(jì)靈活，可作為零部件（模塊）單獨(dú)購(gòu)買，嵌入三方柜體；柜型外觀、尺寸的改變基本不影響內(nèi)部安裝和整體使用效果。

    （7）生產(chǎn)周期短，即使是非常規(guī)要求產(chǎn)品亦能保證及時(shí)投入使用，確?？蛻艚?jīng)濟(jì)利益。

圖4 模塊化組合式安裝示意圖             圖5 兩列模塊組裝效果示意圖       

3.3 ANAPF板載式有源濾波裝置的補(bǔ)償效果

    下面是某負(fù)載的產(chǎn)品應(yīng)用效果圖，其諧波含量在26%左右，通過電能質(zhì)量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補(bǔ)償效果。

補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率                 補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率

    補(bǔ)償后諧波電流含量?jī)H為4%，低于國(guó)標(biāo)對(duì)0.38KV電網(wǎng)的要求5%，以C相為例，對(duì)應(yīng)的各次諧波含量清單如下：

補(bǔ)償前C相各次諧波含量                補(bǔ)償后C相各次諧波含量

    從波形來看效果可以更直觀的看到補(bǔ)償效果：補(bǔ)償前電流波形為M形，補(bǔ)償后已變?yōu)檎也?，效果良好?nbsp; 

補(bǔ)償前電壓電流波形                  補(bǔ)償前電壓電流波形

3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號(hào)選擇

    該產(chǎn)品為并聯(lián)型有源電力濾波器，其命名方式為：

    其中諧波補(bǔ)償電流的大小可安排售前工程師協(xié)助測(cè)量或根據(jù)變壓器容量和行業(yè)類型自行估算后選擇，計(jì)算方法見公式（1）。

4 結(jié)束語(yǔ)

    ANAPF板載式有源濾波裝置在原有立柜、抽屜、壁掛式產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮小了體積并減輕重量；由于其采用了高集成化模塊設(shè)計(jì)，后期維護(hù)變得更加輕松、便利，而且治理效果也更顯著。其不僅能治理諧波，也能補(bǔ)償無功：有效地治理諧波，可改善電能質(zhì)量使設(shè)備誤動(dòng)作率大大降低，從而提高電氣設(shè)備利用率和產(chǎn)品合格率，既保證了電網(wǎng)安全運(yùn)行，又能降低用戶的電力損耗；而有效地補(bǔ)償無功，使功率因數(shù)高達(dá)0.98以上，則避免了用戶因功率因數(shù)不足而被罰款，也為用戶帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。由此可見，選用ANAPF板載式產(chǎn)品，對(duì)電網(wǎng)設(shè)施和用戶設(shè)備都有極大的益處，可以說是實(shí)現(xiàn)了供用電雙方的共贏。

【參考資料】

安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理選型手冊(cè)。2015.08版

安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版