趙娜
（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?chē)耐ㄐ畔到y(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：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(jiàn)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(kāi)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*的技術(shù)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(mén)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*統(tǒng)計(jì)：近20年來(lái)，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(kāi)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，世界各都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分關(guān)注。上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少家和學(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。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(jiàn)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(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(kāi)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)生個(gè)和當(dāng)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：
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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(jiàn)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(kāi)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(lèi)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（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。
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圖3-1 治理電流波形與諧波數(shù)據(jù)
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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zui大值從64A降低到47A，N線電流從治理之的37A降到了，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。
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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：
趙娜，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。: 2880157858
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