淺析諧波危害與有源濾波

近半個世紀以來，隨著電力電子設(shè)備的推廣應(yīng)用，非線性負荷的迅速增加，特別是高壓直流輸電的運用，使得諧波污染問題日趨嚴重，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荷的影響，且僅能對特定的諧波進行有效地衰減，而出于經(jīng)濟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。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。

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，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，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，特別是微機綜合保護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量不準確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。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，計算機無法正常工作；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：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)濟損失高達300億美元！2000年4月10日，晉東南電網(wǎng)因運行方式的需要，220kV霍長線停電檢修，220kV長治變由漳澤電廠通過220kV漳長I回單獨供電，向地區(qū)網(wǎng)輸送140MW，系統(tǒng)運行正常；20時18分，太焦電鐵三座牽引站產(chǎn)生的諧波和負序電流經(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)生的危害如此之嚴重，世界各國都對諧波問題予以充分關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。國標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：

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率的諧波進行快速跟蹤補償。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可以通過采樣負載電流并進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)，抵消負載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。

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)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償，原理如圖2-1所示：

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

3 有源濾波方案及案例

使用有源電力濾波器進行諧波治理，主要有集中、局部和就地補償三種方案。集中補償適用于單臺設(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，采用局部諧波補償。就地補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、燒保險絲的情況，嚴重影響辦公。安科瑞電氣股份有限公司派工程師對其進行現(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%，遠遠超于國標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)采用局部補償?shù)姆椒ㄟM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。

4 諧波治理效果

ANAPF投入運行后，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、燒保險絲的情況，使得變壓器的容量得到了充分利用。

參考文獻

[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：中國標準出版社，1994.

[2]季曉春.有源濾波器的原理和選型計算.

[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.