安科瑞有源濾波應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，諧波是指頻率為基波整數(shù)倍的交流分量。在配電網(wǎng)中，非線性負(fù)載如電力電子設(shè)備（如開(kāi)關(guān)電源、UPS等）、電弧爐、電動(dòng)機(jī)等是主要的諧波源。這些設(shè)備在工作時(shí)，會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)配電系統(tǒng)造成不良影響。

二、諧波對(duì)配電網(wǎng)的影響

1. 設(shè)備過(guò)熱：諧波電流在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生額外的熱損耗，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱，縮短使用壽命。

2. 損耗增加：諧波電流在傳輸線路中會(huì)產(chǎn)生額外的線損，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

3. 保護(hù)裝置誤動(dòng)：諧波電流可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 測(cè)量誤差：諧波電流可能導(dǎo)致電能計(jì)量裝置測(cè)量誤差，影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

三、諧波分析及治理的方法

1. 諧波分析：通過(guò)電力監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)中的諧波電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，了解諧波的種類、幅度和頻率分布情況。

2. 無(wú)源濾波器：利用LC濾波器濾除特定頻率的諧波電流，降低諧波電壓。

3. 有源濾波器：通過(guò)PWM（脈沖寬度調(diào)制）等技術(shù)，產(chǎn)生與諧波電流相反的電流，抵消諧波電流，改善電壓波形。

4. 優(yōu)化用電設(shè)備：選用具有低諧波電流特性的用電設(shè)備，從源頭上減少諧波的產(chǎn)生。

5. 合理規(guī)劃配電網(wǎng)：通過(guò)合理規(guī)劃配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和布局，減少諧波電流在配電網(wǎng)中的傳播和影響。

四、實(shí)際應(yīng)用案例

某鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用電弧爐、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，導(dǎo)致配電網(wǎng)中存在嚴(yán)重的諧波污染。通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行諧波分析及治理，采取無(wú)源濾波器和有源濾波器相結(jié)合的方式，有效地降低了諧波電壓，提高了電壓質(zhì)量，減少了設(shè)備過(guò)熱和能源浪費(fèi)等問(wèn)題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

五、諧波治理措施的分析與比較

根據(jù)技術(shù)原理的不同，諧波治理的解決方案有多種，應(yīng)用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，因其動(dòng)態(tài)濾波能力，濾波效果等優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，是諧波治理的技術(shù)發(fā)展方向。下面對(duì)不同的諧波治理技術(shù)做簡(jiǎn)要的分析和比較。

5.1 傳統(tǒng)的諧波治理方式

（1） 變大供電容量。這是一種原始的方法，當(dāng)諧波問(wèn)題影響到電力系統(tǒng)時(shí)，就變大供電系統(tǒng)的容量。例如: 變大變壓器或發(fā)電機(jī)容量，以求系統(tǒng)能夠忍受諧波帶來(lái)的種種問(wèn)題；當(dāng)諧波 問(wèn)題出現(xiàn)在電纜傳輸過(guò)程中，就變大電纜的橫截面，以減少集膚效應(yīng)的影響。無(wú)疑地，這是一種既昂貴又消極的辦法，昂貴就貴在了每變大1KVA 的供電能力，就要支付大約 1000元~1200元人民幣的投資，要變大幾百KVA，其價(jià)格就要增加幾拾萬(wàn)元人民幣；消極方面是說(shuō)這種辦法根本沒(méi)有解決諧波的客觀存在，僅僅是把諧波的影響降低到盡可能小的程度，一旦負(fù)載容量變大，諧波問(wèn)題又會(huì)再次涌現(xiàn)出來(lái)。

（2）采用特殊的變壓器變換。例如采用?/Yno 的方法可以治理三次和3n次諧波對(duì)電網(wǎng)的注入；采用?/Y+?/?移相式變壓器可治理整流器中的5次、7次諧波；采用K-13特殊變壓器還可以同時(shí)治理 3~17次諧波對(duì)電網(wǎng)的注入。這種方式的一次性投資都比較大，而且由于特殊變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)與負(fù)載之間，形成了附加阻抗，降低了電網(wǎng)的實(shí)際帶載能力；當(dāng)負(fù)載發(fā)生較大增容時(shí)也受到了一定的限制，其結(jié)果會(huì)使剩余次諧波所產(chǎn)生的電壓失真度也變大了。

（3） 雙橋或多橋式整流器。工業(yè)生產(chǎn)中可控硅整流器是一種常見(jiàn)的變流設(shè)備，三相全控橋式整流又是應(yīng)用普通的設(shè)備，然而也是諧波含量較高的設(shè)備，在一些有色金屬冶煉中，為了減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，往往采用 12 脈沖整流器，甚至 24 脈沖整流器，雖然諧波電流得以治理，但一次性投資仍然很大，并且由于采用的功率電路復(fù)雜，設(shè)備的可靠性相對(duì)降低，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)是有消極作用的。

（4） 無(wú)源濾波器。這是應(yīng)用較廣泛的諧波治理手段。它是按照希望治理的諧波次數(shù)專門量身定造的，采用電感電容的調(diào)諧原理，將高次諧波陷落在濾波器中，以減少對(duì)電網(wǎng)的注入。但 是這種濾波器對(duì)于負(fù)載諧波頻譜發(fā)生變化時(shí)，就顯得軟弱無(wú)力了。在采用發(fā)電機(jī)組供電的場(chǎng)合，這種濾波器的啟動(dòng)電流又很大，呈容性負(fù)載，往往使發(fā)電機(jī)組難以承受；如果是多臺(tái)濾波器 并聯(lián)使用或補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率與負(fù)載的需求不一致，還可能造成供電系統(tǒng)的諧振現(xiàn)象。

（5）串聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器對(duì)平滑諧波電流具有一定的作用，并且電路簡(jiǎn)單，制造成本低，往往應(yīng)用在整流器之前，例如：變頻調(diào)速器，調(diào)光器等。但由于其阻抗較高，損耗較大，因此其治理諧波的作用受到限制。通常只能使電流失真度（THDI）降低50%左右。

5.2 傳統(tǒng)的諧波治理方式的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的諧波治理方式雖然能在一定程度上解決了諧波對(duì)電網(wǎng)注入的問(wèn)題，但普遍存在著效果不理想的情況，主要表現(xiàn)在:

（1）諧波頻譜的適應(yīng)范圍較小，大多是針對(duì)某一次或某幾次諧波進(jìn)行治理，如果負(fù)載是一個(gè)寬頻譜或頻譜發(fā)生變化時(shí)，就很難獲得理想的效果。

（2）適應(yīng)負(fù)載特性的能力較差，如果負(fù)載是一個(gè)頻繁變化的特性，或是負(fù)載系統(tǒng)是由眾多的不同特性的設(shè)備群組成的，則上述這些治理方式均受到局限。

（3）效率低也是上述治理方式的局限性, 不論是串聯(lián)電抗器還是變壓器變換或者是低通濾波，這些功率器件本身都存 在著阻抗，會(huì)產(chǎn)生一定的附加損耗，其結(jié)果不是設(shè)備方面的效率降低（大約 2~3%），就是供電系統(tǒng)的帶載能力降低。

（4）治理的效果仍然不夠理想，作為衡量治理效果的指標(biāo)就是總諧波電流失真度的衰減率（THDI Attenuation Ratio），通常對(duì)某一次或某幾次諧波可能有 5~8 倍的衰減，而對(duì)總諧波失真度一般僅能達(dá)到 2~3 倍。

（5）過(guò)載能力較差，使負(fù)載電流變大受到約束。

（6）基波頻率不能改變，例如：50Hz變?yōu)?0Hz。

（7）系統(tǒng)阻抗變化時(shí)有共振的危險(xiǎn)。

（8）整體尺寸、重量、造價(jià)都是不可忽略的因素。

5.3 有源電力濾波器

與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可治理閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。

六、安科瑞諧波治理產(chǎn)品選型

6.1安科瑞ANAPF系列有源電力濾波器介紹

有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)償。其原理為：ANAPF系列有源電力濾波器通過(guò)CT采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過(guò)功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。

圖6-1

6.2安科瑞有源電力濾波器選型

立柜式

備注：具體尺寸按報(bào)價(jià)方案為準(zhǔn)。

模塊化

七、配電網(wǎng)諧波治理的對(duì)策

既然諧波存在多方面的危害，采取必要的手段，避免或補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波，就顯得尤為重要?？蓺w納以下治理措施：

（1）加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹。IEC 6100 以及國(guó)標(biāo)GB/T14549-1993，對(duì)于諧波定義、測(cè)量等進(jìn)行了宣傳，明確諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn) 定運(yùn)行的舉措。

（2）主管部門對(duì)所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測(cè)量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長(zhǎng)期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。對(duì)電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對(duì)于供電部門而言，可以評(píng)估電力用戶的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。

（3）針對(duì)諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的隔離、補(bǔ)償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)加裝濾波設(shè)備來(lái)減小諧波注入電網(wǎng)。對(duì)于各種電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)初始，就要考慮其設(shè)備的諧波污染度，將諧波限在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

（4）加強(qiáng)管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門，要調(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面，在分清諧波來(lái)源基礎(chǔ)上，走共同治理之路。

八、結(jié)論

諧波分析及治理在配電網(wǎng)中的應(yīng)用對(duì)于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。通過(guò)采取相應(yīng)的技術(shù)和措施，可以有效地降低諧波電流對(duì)配電網(wǎng)的影響，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。未來(lái)，隨著新能源和智能電網(wǎng)的發(fā)展，諧波分析及治理技術(shù)將發(fā)揮更加重要的作用。