浅析谐波危害与有源滤波

 

　　摘要：谐波的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。

　　关键词： 污染;谐波危害;有源电力滤波器;治理

　　0 引言

　　近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加，特别是高压直流输电的运用，使得谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生;二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而，无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响，且仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。

　　1 谐波的产生与危害

　　由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。

　　表1-1 谐波产生源

　　名 称所属行业

　　变频装置商业、市政、民用、公用事业、工矿企业等

　　UPS、开关电源、逆变电源公用事业、商业、电子、通讯等

　　地铁、轻轨、充电站(桩)交通

　　单(多)晶硅生产设备、中频炉制造业

　　电弧炉、交流弧焊机、感应加热装置机械、能源、化工

　　谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失;谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作;重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

　　据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元!2000年4月10日，晋东南电网因运行方式的需要，220kV霍长线停电检修，220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电，向地区网输送140MW，系统运行正常;20时18分，太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统，引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作，造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故，巴公电厂周波降为45.7Hz，与电网解列44分钟，晋东南11个变电站停电，电气铁道停电20多分钟，电网和用户均受到较大的损失。

　　谐波所产生的危害如此之严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压(相电压)限值见表1-2：

　　表1-2 公用电网谐波电压(相电压)限值

　　电网标称电压(kV)电压总谐波畸变率(%)各次谐波电压含有率(%)

　　奇 次偶 次

　　0.385.04.02.0

　　64.03.21.6

　　10

　　353.02.41.2

　　66

　　1102.01.60.8

　　2 有源电力滤波器

　　有源电力滤波器(APF：Active Power Filter)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

　　安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，原理如图2-1所示：

　　

 

　　图2-1 ANAPF有源电力滤波器原理图

　　安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数和报价方案分别见表2-1和表2-2。

　　表2-1 ANAPF有源电力滤波器技术参数

　　接线方式三相三线或三相四线

　　接入电压3×380V ±10%

　　接入频率50Hz ±2%

　　全响应时间<40ms

　　开关频率10kHz

　　功能设置只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功

　　谐波补偿次数2-21次

　　保护类型直流过压、IGBT过流、装置过温

　　冷却方式强制风冷

　　噪音< 65dB

　　工作环境温度-10℃～+45℃

　　工作环境湿度<85%RH 不凝结

　　安装场合室内安装

　　海拔高度≤1000m(更高海拔需降容使用)

　　进出线方式下进下出(根据客户要求)

　　防护等级IP20

　　智能通信接口外加模块

　　安装方式立柜式抽屉式

　　补偿电流大小50A、100A150A、200A、250A、300A50A

　　外形尺寸(mm)

　　(W×D×H)600×600×1800800×800×2200540×570×240

　　重量(kg)35050050

　　表2-2 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

　　型号：ANAPF50-380/B

　　参考价格：16万元/台

　　主要产品清单

　　序号名 称数量

　　1APF威图柜1

　　2APFCOV-50-G变流器1

　　3APFCOV-50-G控制器1

　　4APFRE-50电抗器1

　　电流互感器3

　　6滤波器2

　　7风机2

　　8接触器2

　　9塑壳断路器1

　　10变压器1

　　11显示屏1

　　注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。

　　3 有源滤波方案及案例

　　使用有源电力滤波器进行谐波治理，主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小，但设备数量多、布局分散的场合，比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地补偿。

　　上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯，另外还有变频空调、电梯等负载，产生了大量的电流谐波，导致变压器容量不足，夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况，严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量，测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变，A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%，远远超于国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生，应采用局部补偿的方法进行治理，型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。

　　

 

　　图3-1 治理前电流波形与谐波数据

　　

 

　　图3-2 ANAPF局部补偿方案图

　　4 谐波治理效果

　　ANAPF投入运行后，得到如图4-1所示的理想波形和测试数据，相电流最大值从64A降低到47A，N线电流从治理之前的37A降到了5A，实现了三相基本平衡，电流谐波畸变率降低到3.4%以下。同时系统功率因数也从之前的0.87升到了0.99。自从使用ANAPF有源电力滤波器之后，该办公大楼整个冬季没有出现跳闸、烧保险丝的情况，使得变压器的容量得到了充分利用。

　　

 

　　图4-1 治理后电流波形与谐波数据

　　参考文献

　　[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

　　[2]季晓春.有源滤波器的原理和选型计算.

　　[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.