谐波治理的必要性及案例分析

综上所述，由于谐波对电力系统及用户的诸多影响与危害，必须采取有效措施来抑制电力系统中的谐波，目前国内外主要的治理措施有以下两种。

3.1 传统的谐波抑制方法——无源滤波器

电力无源滤波器即在电容器上串联电抗器组成，其优点是结构简单、运行可靠、维修方便，除滤波外还兼有无功补偿的功能，容量可设计成很大，与有源滤波器相比，成本较低，现广泛采用。但是，无源滤波器同时也存在缺点，一方面是无法对动态变化的谐波有针对性进行滤波；另一方面是滤除效果一般，只能达到50%-60%的程度。

3.2 新型的谐波抑制方法——有源滤波器

有源电力滤波器是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它实质上是一种大功率波形发生器，它把谐波源发出的谐波经过采样、180°移相后，再完整的复制出来，并送到谐波源的入网点，复制的谐波与谐波源产生的谐波幅值相等、方向相反，并跟随谐波的变化而变化，如此，谐波源产生的谐波就完全被抵消了。有源滤波器按照其接入电网的方式，可分为两大类，即串联有源滤波器和并联有源滤波器。近年来为了发挥有源滤波器的优势，又设计出串联混合型和并联混合型有源滤波器。有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点，但因为应运了大功率电力电子器件，其有功损耗较高，综合成本比无源滤波器高出很多，故此在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。随着微电子控制器和电力半导体器件的发展，有源电力滤波器的性价比会越来越高，而用于LC无源滤波器的电容和电抗的价格却是呈增长趋势，因此有源电力滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。

4  ANAPF低压有源滤波器在港口码头的应用案例

港口行业的蓬勃发展，在带动了其他行业发展进步的同时，对电能的需求量也逐渐增大。港口中大量气体放电类电光源,如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯,此类光源的非线性非常严重,有负的伏安特性。随着电力电子技术的发展，近年来国内港口所使用的设备普遍采用晶闸管供电的直流系统或交-交变频调速系统，且数量逐年增长。这些电能的变换装置及其用电设备属于非线性负载，是典型的谐波源。它们在工作时不仅向电力系统吸收大量的冲击性无功功率，影响电网电压稳定性，而且还对电网注入大量谐波，严重影响电网电能质量。

4.1 项目背景 

宝山罗泾码头自投入运行以来，港口的装车吊机经常无故损坏，变频器经常被烧毁，皮带秤计量似乎也不准确，已经严重地影响了港口的正常运行，带来严重的负面经济效益。调查发现港口配电系统中装有大量的变频器，这些变频器带动驱动器从而使装车吊机前后移动。变频器是典型的谐波源，产生大量的谐波，而且此类工程的负载容量通常都比较大，在交流侧存在着很严重的谐波污染，正是谐波导致了罗泾码头的问题。

因为该码头装有大量的装车吊机，负载波动比较大，而谐波量的大小和负载率有着密切联系。在负载率在一定的范围内变化时，谐波电流有可能极大，在这种情况下系统的电压会产生很大畸变。这将会严重影响电机的正常运转，同时还会大大缩短变压器的使用寿命。此外配电系统中还有皮带秤和其他负载，皮带秤是敏感设备，变频器产生的谐波会通过传导、感应等方式对皮带秤控制系统产生谐波污染，进而导致皮带秤工作抖动，影响计量准确度，同时对设备的寿命、安全运行产生不利的影响,也给港口的经济效益带来了影响。

宝山罗泾码头变频供电系统简图见图1。

图1：变频供电系统简图

宝山罗泾码头供电系统中含有大量的变频器。变频器是工业调整传动领域中应用较为广泛的设备之一。变频器的主电路一般为交－直－交组成，外部输入的工频电源经过整流电路变为直流电源，再经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电源。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波。

图2所示为宝山罗泾码头变频动力系统电压及电流波形图，电压波峰很平畸变较为严重。图5显示三相电压畸变率均超过７%，大于国标GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》中所规定的5%的要求，严重的电压畸变不但会影响设备的寿命，而且可能会酿成事故。

 

  

图2：电压及电流波形图

 

图3：电压电流及功率数据

 图4：电流及其相关数据

 

 

 图5：电压及其相关数据

图2中的电流波形已经基本看不出是正弦波而是较为典型的M波。结合图4中电流谐波含量数据可分别计算出A相、B相、C相电流值为270A、261.6A、283.6A，同时三相电流的谐波畸变率均超过50%，查阅国标GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》，本系统的谐波电流均已超过基准短路容量所允许的谐波电流限制。综合电压及电流数据，本系统的电能质量很差。

4.2 治理措施及效果

针对码头的具体情况，以治理谐波污染为目的。通过有针对性的谐波污染治理，减少甚至消除其对配电系统的不良影响，保证电动机、变压器、电缆、其他设备的正常运行，提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命，保障可靠供电。

根据宝山罗泾码头变频动力系统负载分配情况，采用集中补偿方式进行谐波治理，即分别在两台变压器二次侧，也就是在A段和B段母线处安装1台100A ANAPF有源滤波器。

治理后谐波情况明显改善，电压谐波畸变率由7%下降到2%，电压波形如图6所示，波形几乎是完美的正弦波。治理后电流波形如图7所示，电流谐波畸变率从50%降低到5%左右，谐波畸变率大大降低。电压电流谐波质量均已符合GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》规定标准。治理后减少了对皮带秤中计量和传感器等敏感器件的扰动，有效解决了皮带秤的抖动和计量不准问题。

 

                          图6：治理后电压波形                           

 

图7：治理后电流波形

 

据反馈，自有源滤波器投运至今，装车吊机运行故障率明显降低，变频器故障发生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮带秤故障由每月1次到不再出现故障。大大提高了装车吊机运行的稳定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

5 结语

综上所述，随着时代的变化，新事物、新产品不断推陈出新，加之高新技术的不断应用，随之而来的是用电环境越来越复杂。本文仅是在谐波污染方面进行了一些浅述，由此可以看出，谐波的治理虽然需要一定的资金投入，但从长期来看，对设备的保护所带来的经济效益是十分明显的，在用电安全方面的改善所带来的社会效益也是十分显著的。

【参考文献】

［1］ 江苏安科瑞电器桌子产品手册.2013.01.版

［2］ 查慧勤 《谐波治理的必要性及案例分析》