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徐孝峰

江蘇安科瑞電器制造有限公司   江蘇 江陰  214405

摘要：電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。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。---諧波危害與有源電力濾波的應(yīng)用

諧波 (harmonic wave)，從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時(shí)“諧波”這個(gè)詞的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。

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*的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此越來越受到人們的關(guān)注。---諧波危害與有源電力濾波的應(yīng)用

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(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)統(tǒng)計(jì)：近20年來，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(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(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zui大值從64A降低到47A，N線電流從治理之前的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)

諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面：

加大企業(yè)的電力運(yùn)行成本

由于諧波不經(jīng)治理是無法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過熱，從而加大了電力運(yùn)行成本，增加了電費(fèi)的支出。

降低了供電的可靠性

諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)荷下將產(chǎn)生局部過熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，大大縮短了變壓器、電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產(chǎn)過程中造成斷電的嚴(yán)重后果。

引發(fā)供電事故的發(fā)生

電網(wǎng)中含有大量的諧波源（變頻或整流設(shè)備）以及電力電容器、變壓器、電纜、電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷，這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動(dòng)之中，極易構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)配合不利時(shí)，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產(chǎn)生過電壓或過電流，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。

導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作

對(duì)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，從而降低發(fā)輸電及用電設(shè)備的效率，更為嚴(yán)重的是諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生震蕩力矩，可能引起機(jī)械共振，造成汽輪機(jī)葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞循環(huán)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

引發(fā)惡性事故

繼電保護(hù)自動(dòng)裝置對(duì)于保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有十分重要的作用。但是，由于諧波的大量存在，易使電網(wǎng)的各類保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，特別在廣泛應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置中表現(xiàn)突出，引起區(qū)域（廠內(nèi)）電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電等惡性事故。

導(dǎo)致線路短路

電網(wǎng)諧波將使測(cè)量儀表、計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確指示及計(jì)量(計(jì)量儀表的誤差主要反映在電能表上)。斷路器開斷諧波含量較高的電流時(shí)，斷路器的遮斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發(fā)生短路，甚至斷路器爆炸。

降低產(chǎn)品質(zhì)量

由于諧振波的*存在,電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行增大了振動(dòng)， 使生產(chǎn)誤差加大,降低產(chǎn)品的加工精度，降低產(chǎn)品質(zhì)量。

影響通訊系統(tǒng)的正常工作

當(dāng)輸電線路與通訊線路平行或相距較近時(shí)，由于兩者之間存在靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，形成電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合，諧波分量將在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾，從而降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳輸，不僅影響通話的清晰度，嚴(yán)重時(shí)將威脅通訊設(shè)備及人身安全。

諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

對(duì)電網(wǎng)的危害

 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.