淺析諧波危害與有源濾波

分類：技術教程日期：2015-01-19 14:35:51 來源：江蘇安科瑞電器制造有限公司

0 引言

近半個世紀以來，隨著電力電子設備的推廣應用，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注和重視。減小諧波影響的技術措施可以從兩方面入手：一是從諧波源出發，減少諧波的產生；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阻抗特性，并容易受溫度漂移、網絡上諧波污染程度、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，而出于經濟和占地面積方面的考慮，濾波器個數均是有限的，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優勢，因此越來越受到人們的關注。

1 諧波的產生與危害

由于電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，尤其是非線性電力設備如有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。由于正弦電壓加壓于非線性負載，使得基波電流發生畸變產生諧波。主要諧波產生源見表1-1。

表1-1 諧波產生源

諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。諧波會導致繼電保護，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損失；諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，計算機無法正常工作；重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。

據統計：近20年來，全球范圍內因電能質量引起的重大電力事故已達20多起，每年因電能質量擾動和電氣環境污染引起的經濟損失高達300億美元！2000年4月10日，晉東南電網因運行方式的需要，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，向地區網輸送140MW，系統運行正常；20時18分，太焦電鐵三座牽引站產生的諧波和負序電流經110kV系統注入220kV系統，引起該線路送漳澤電廠出線211開關的JGX—11A型晶體管相差高頻保護誤動作，造成晉東南電網瓦解和大面積停電事故，巴公電廠周波降為45.7Hz，與電網解列44分鐘，晉東南11個變電站停電，電氣鐵道停電20多分鐘，電網和用戶均受到較大的損失。

諧波所產生的危害如此之嚴重，世界各國都對諧波問題予以充分關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。國標GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值見表1-2：

表1-2 公用電網諧波電壓（相電壓）限值

2 有源電力濾波器

有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對不同大小和頻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，抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，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的ANAPF系列有源電力濾波器，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償，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參數和報價方案分別見表2-1和表2-2。

表2-1 ANAPF有源電力濾波器技術參數

表2-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

注：以上技術參數或器件名稱、數量如有更改，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備諧波含量小，但設備數量多、布局分散的場合，比如辦公大樓(主要設備是個人電腦、節能燈、變頻空調、電梯等)，雖然單臺設備的電流小，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，比如醫院的精密儀器、UPS電源等，雖然單臺設備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設備產生的諧波對其干擾，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備諧波含量較大的配電系統，比如大型商業區的景觀照明、影劇院的可控硅調光設備、工業區的變頻器調速設備等，單臺設備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設備，采用就地補償。

上海某工廠辦公大樓內安裝有大量的節能燈，另外還有變頻空調、電梯等負載，產生了大量的電流諧波，導致變壓器容量不足，夏季、冬季經常出現跳閘、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場測量，測量數據如圖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《電能質量公用電網諧波》的相關規定。同時三相負載明顯不平衡。經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等動力回路產生，應采用局部補償的方法進行治理，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。

圖3-1 治理前電流波形與諧波數據

圖3-2 ANAPF局部補償方案圖

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據，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。同時系統功率因數也從之前的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跳閘、燒保險絲的情況，使得變壓器的容量得到了充分利用。