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，濾波器個數(shù)均是有限的，所以對諧波含量豐富的場合，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，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使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲等，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。諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)，特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失；諧波還會使電氣測量儀表計(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對通信及信息處理設(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霍長線停電檢修，220kV長治變由漳澤電廠通過220kV漳長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，世界各國都對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)會議，不少國家和學(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，是相對于無源LC濾波器，只能被動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)時檢測負(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)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實(shí)時注入電力系統(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)償適用于單臺設(shè)備諧波含量小，但設(shè)備數(shù)量多、布局分散的場合，比如辦公大樓(主要設(shè)備是個人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等)，雖然單臺設(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其進(jìn)行現(xiàn)場測量，測量數(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)

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[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2014.1版.

抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略  安科瑞鮑靜君

摘要：本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例，闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

關(guān)鍵詞：智慧能源；UPS；電壓諧波；諧波放大；APF

1、引言

    在實(shí)際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計(jì)不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時間內(nèi)做出解決，比較現(xiàn)實(shí)的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個二次供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS，它在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備，正常工作的時候也會產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異，本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，有效抑制諧波電流放大，優(yōu)化電能質(zhì)量，提高設(shè)備用電效率。

2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響

2.1  諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響

    一般來說理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生失真的交流電流，同時導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負(fù)載或非線性負(fù)載兩端，都會產(chǎn)生失真的交流電流。

圖 1 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖（無功柜未投入）

    如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，兩邊電容柜沒有投入運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時，測量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時，測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓；同時運(yùn)行1#主變和2#主變時，測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

2.2  諧波電壓對濾波裝置的影響

    有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型，并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補(bǔ)償負(fù)載的電流，通過計(jì)算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達(dá)到諧波補(bǔ)償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖（增加APF）

    如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時，測量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時，測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補(bǔ)償后，測量點(diǎn)M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時運(yùn)行1#主變和2#主變時，測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨(dú)開啟APF1，測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨(dú)開啟APF2，測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時減小。

    上述測試中有一種情況比較特殊，在同時運(yùn)行1#主變和2#主變，單獨(dú)開啟APF1進(jìn)行補(bǔ)償時，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小，測量1#主變下線性負(fù)載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負(fù)載引起諧波電流失真，導(dǎo)致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負(fù)載兩端，使M1點(diǎn)出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補(bǔ)償，但M1點(diǎn)的諧波電流和諧波電壓不會改變，相對于APF1并線點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變，負(fù)載側(cè)諧波電流有效值增大。因此，并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會使負(fù)載側(cè)諧波電流變的更大。

3、諧波分布式治理

    工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的，非線性負(fù)荷引起的諧波、背景諧波、補(bǔ)償裝置諧波放大等等現(xiàn)象，都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

圖3 中國銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

    如圖3所示，是中國銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖，正常運(yùn)行時聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，T1變壓器和T2變壓器下負(fù)載全是12脈沖整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,兩臺變壓器所帶負(fù)載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運(yùn)行，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖4和圖5所示：

圖4補(bǔ)償前諧波電壓波形及畸變率

圖5 補(bǔ)償前諧波電流波形及有效值

    從上圖中可以看出，12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主，但實(shí)際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式，上下整流橋調(diào)相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有完全抵消，這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時諧波被放大，這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。

    為了濾除現(xiàn)場諧波電流，主動斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路，增大APF濾波容量，考慮使用APF補(bǔ)償U(kuò)PS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時運(yùn)行APF1和APF2，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

圖6 補(bǔ)償后諧波電壓電流波形

圖7 補(bǔ)償后諧波電壓電流有效值

    以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對現(xiàn)場系統(tǒng)和負(fù)荷特性的了解，分析負(fù)荷故障原因，避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振，抑制電流諧波放大；采用分布式補(bǔ)償方案，避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變，從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流，解決了現(xiàn)場諧波對公用電網(wǎng)的污染問題。

4、結(jié)束語

    本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負(fù)荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項(xiàng)目中如何判斷諧波引起的故障，并提出解決方案，抑制諧波電流的放大，采用合理的補(bǔ)償策略，較終達(dá)到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論：

    1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的；

    2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時，輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產(chǎn)生諧振，放大5次、7次諧波電流；

    3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓（背景諧波）引起的諧波電流濾波場合；

    4.電能質(zhì)量優(yōu)化工程項(xiàng)目中，了解現(xiàn)場負(fù)荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項(xiàng)目諧波治理的必要條件。

文章來源：《電氣時代》2017年12期。

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