淺析諧波危害與有源濾波

劉靜

（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）

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(guò)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(lái)，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(wèn)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(wú)源濾波器和有源濾波器。然而，無(wú)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(wú)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(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。有源電力濾波器有著無(wú)源濾波器無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)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

名     稱

所屬行業(yè)

變頻裝置

商業(yè)、市政、民用、公用事業(yè)、工礦企業(yè)等

UPS、開關(guān)電源、逆變電源

公用事業(yè)、商業(yè)、電子、通訊等

地鐵、輕軌、充電站（樁）

交通

單（多）晶硅生產(chǎn)設(shè)備、中頻爐

制造業(yè)

電弧爐、交流弧焊機(jī)、感應(yīng)加熱裝置

機(jī)械、能源、化工

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(guò)中線會(huì)使線路過(guò)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(guò)熱，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)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(lái)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(wú)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(lái)，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(guò)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(wèn)題予以充分關(guān)注。國(guó)際上召開了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和國(guó)際學(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

電網(wǎng)標(biāo)稱電壓（kV）

電壓總諧波畸變率（%）

各次諧波電壓含有率（%）

奇  次

偶  次

0.38

5.0

4.0

2.0

6

4.0

3.2

1.6

10

35

3.0

2.4

1.2

66

110

2.0

1.6

0.8

 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(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌�大小和頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償。之所以稱為有源，是相對(duì)于無(wú)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(guò)采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無(wú)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(wú)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(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)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(wú)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(wú)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)

接線方式

三相三線或三相四線

接入電壓

3×380V ±10%

接入頻率

50Hz ±2%

全響應(yīng)時(shí)間

＜40ms

開關(guān)頻率

10kHz

功能設(shè)置

只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無(wú)功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無(wú)功

諧波補(bǔ)償次數(shù)

2-21次

保護(hù)類型

直流過(guò)壓、IGBT過(guò)流、裝置過(guò)溫

冷卻方式

強(qiáng)制風(fēng)冷

噪音

＜ 65dB

工作環(huán)境溫度

-10℃～+45℃

工作環(huán)境濕度

＜85%RH 不凝結(jié)

安裝場(chǎng)合

室內(nèi)安裝

海拔高度

≤1000m（更高海拔需降容使用）

進(jìn)出線方式

下進(jìn)下出（根據(jù)客戶要求）

防護(hù)等級(jí)

IP20

智能通信接口

外加模塊

安裝方式

立柜式

抽屜式

補(bǔ)償電流大小

50A、100A

150A、200A、250A、300A

50A

外形尺寸(mm)

(W×D×H)

600×600×1800

800×800×2200

540×570×240

重量(kg)

350

500

50

 表2-2  ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單

型號(hào)：ANAPF50-380/B

參考價(jià)格：16萬(wàn)元/臺(tái)

主要產(chǎn)品清單

序號(hào)

名    稱

數(shù)量

1

APF威圖柜

1

2

APFCOV-50-G變流器

1

3

APFCOV-50-G控制器

1

4

APFRE-50電抗器

1

電流互感器

3

6

濾波器

2

7

風(fēng)機(jī)

2

8

接觸器

2

9

塑殼斷路器

1

10

變壓器

1

11

顯示屏

1

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)，相電流最大值從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(méi)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.

作者簡(jiǎn)介：

劉靜，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹爸C波治理。Email: 2880157869@qq.com手機(jī)：13817043665  QQ:2880157869