安科瑞 師晴晴

江蘇安科瑞電器制造有限公司   江陰 214405

1 引言

隨著科技發(fā)展，電子產(chǎn)品大量應(yīng)用，電網(wǎng)中諧波大量產(chǎn)生，作為設(shè)計(jì)人員需要了解諧波的成因及危害，以便更好地防御及治理，提高電能質(zhì)量。

近年來(lái)，電氣產(chǎn)品行業(yè)出于節(jié)能和生產(chǎn)的需要，積極運(yùn)用新技術(shù)，大量地運(yùn)用了可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等非線(xiàn)性負(fù)荷設(shè)備。其所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題直接影響到了公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量，已引起人們的廣泛重視。

2 諧波產(chǎn)生的原因及影響

2.1 諧波的成因

    電網(wǎng)中的諧波主要指頻率為工頻（基波頻率）整數(shù)倍成分的諧波及工頻非整數(shù)成分的間諧波，它們都是造成電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的重要原因。根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的分析結(jié)果證實(shí)，電力變壓器也是電力系統(tǒng)中諧波的一個(gè)重要諧波源。電力變壓器的激磁電流、鐵心飽和及三相電路和磁路的不對(duì)稱(chēng)，致使在變壓器三角繞組的線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流中也仍然存在三次諧波分量，尤其在負(fù)荷低谷時(shí)，隨著電網(wǎng)電壓的升高，變壓器鐵心飽和程度加劇，產(chǎn)生的諧波含量也隨之增大。隨著電網(wǎng)大量電容裝置的投運(yùn)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)諧波實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，諧波并不是只有零序分量可被變壓器三角繞組所環(huán)路，而是波及全網(wǎng)，并給電容裝置及電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)影響和威脅。

    在民用建筑中，UPS電源、電子調(diào)速裝備、節(jié)能型燈具及家用電器中的計(jì)算機(jī)、微波爐等電力電子設(shè)備和電器設(shè)備應(yīng)用的大量增加，以及醫(yī)院等特殊場(chǎng)合的放射X光機(jī)、CT機(jī)等大型醫(yī)療設(shè)備等，使各類(lèi)非線(xiàn)性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波日益增多，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染的影響也越來(lái)越大。在這些設(shè)備集中使用的地區(qū)，如醫(yī)院、大型商場(chǎng)、居民小區(qū)、寫(xiě)字樓、酒店公寓等，諧波污染已相當(dāng)嚴(yán)重。諧波污染的影響使電能質(zhì)量明顯下降，因此，對(duì)電能質(zhì)量諧波污染的抑制和治理已刻不容緩。

2.2 諧波源的分析

2.2.1 電力電子設(shè)備

    電力電子設(shè)備主要包括整流器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、靜態(tài)換流器、晶閘管系統(tǒng)及其它SCR控制系統(tǒng)等。由于工業(yè)與民用電力設(shè)備常用到這類(lèi)電力電子設(shè)備和電路，如整流和變頻電路，其負(fù)載性質(zhì)一般分為感性和容性?xún)煞N，感性負(fù)載的單相整流電路為含奇次諧波的電流型諧波源。而容性負(fù)載的單相整流電路，由于電容電壓會(huì)通過(guò)整流管向電源反饋，屬于電壓型諧波源，其諧波含量與電容值的大小有關(guān)，電容值越大，諧波含量越大。變頻電路諧波源由于采用的是相位控制，其諧波成分不僅含有整數(shù)倍數(shù)的諧波，還含有非整數(shù)倍數(shù)的間諧波。

2.2.2 可飽和設(shè)備

    可飽和設(shè)備主要包括變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等?？娠柡驮O(shè)備是非線(xiàn)性設(shè)備，與電力電子設(shè)備和電弧設(shè)備相比，可飽和設(shè)備上的諧波在未飽和的情況下，其諧波的幅值往往可以忽略。

2.2.3 電弧爐設(shè)備及氣體電光源設(shè)備

  ①電弧爐在熔煉金屬過(guò)程中的非線(xiàn)性影響將產(chǎn)生大量的諧波

  ②氣體電光源包括熒光燈、霓虹燈、鹵化燈。根據(jù)這類(lèi)氣體放電光源的伏安特性。其非線(xiàn)性特性十分嚴(yán)重，同時(shí)含有負(fù)的伏安特性。而氣體燈具工作時(shí)要與電感性鎮(zhèn)流器相串聯(lián)，并使其綜合伏安特性不再為負(fù)才能正常工作。由于鎮(zhèn)流器的非線(xiàn)性相當(dāng)嚴(yán)重，其中三次諧波含量在20%以上，其特性為對(duì)稱(chēng)函數(shù)，只含有奇次諧波，所有氣體電光源設(shè)備屬于電流源型諧波源。

2.3 諧波對(duì)各方面的影響

2.3.1 對(duì)電網(wǎng)的影響

    ①造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命變短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、線(xiàn)路和設(shè)備過(guò)熱等，特別是三次諧波會(huì)產(chǎn)生非常大的中性線(xiàn)電流，使得配電變壓器的零線(xiàn)電流甚至超過(guò)相線(xiàn)電流值，造成設(shè)備的不**運(yùn)行。諧波對(duì)電網(wǎng)的**性、穩(wěn)定性、可靠性的影響還表現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振，使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)解裂等。

    ②引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設(shè)備損壞；造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備發(fā)熱，電容器損壞，并加速絕緣材料的老化；造成斷路器電弧熄滅的時(shí)間延長(zhǎng)，影響斷路器的開(kāi)斷能力；造成電子元器件的繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作；影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量；增大附近磁場(chǎng)的干擾等。

2.3.2 對(duì)用電**的影響

    ①火災(zāi)影響。一些建筑突發(fā)性火災(zāi)已被證明與電力諧波有關(guān)。目前，節(jié)能燈、調(diào)光器和電器設(shè)備中開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用很普遍，本意是節(jié)能，但這些終端設(shè)備作為諧波源，對(duì)電網(wǎng)的危害很大。經(jīng)有關(guān)部門(mén)測(cè)定，應(yīng)用電器設(shè)備較多的酒店、商廈、網(wǎng)吧、計(jì)算機(jī)房、居民小區(qū)等，在沒(méi)有采取濾波等措施前，中性線(xiàn)電流都很大，有些甚至超過(guò)線(xiàn)電流，導(dǎo)致過(guò)熱成為形成火災(zāi)事故的重大隱患。

②設(shè)備影響。電能質(zhì)量的污染對(duì)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和精密制造業(yè)的精密機(jī)械和儀器等，都可能影響正常的運(yùn)行、操作，降低設(shè)備正常使用壽命，甚至引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害。

③通信影響。諧波是電網(wǎng)干擾通信的重要因素，主要通過(guò)靜電感應(yīng)（電容耦合，電壓作用）和電磁感應(yīng)（電流作用），在通信線(xiàn)路上產(chǎn)生聲頻干擾。諧波頻率高時(shí)，會(huì)發(fā)生雜音，在通信線(xiàn)路上引起音頻干擾，嚴(yán)重時(shí)還可能觸發(fā)電話(huà)鈴響。采用屏蔽電纜通信，雖可消除靜電感應(yīng)的影響，但不能消除電磁感應(yīng)的干擾。同時(shí)，對(duì)于存在多個(gè)中性點(diǎn)接地的配電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)時(shí)，零線(xiàn)電流將對(duì)利用大地作參考電位的通信系統(tǒng)，造成參考電位漂移而產(chǎn)生干擾。

2.3.3 對(duì)各類(lèi)電氣設(shè)備的影響

①對(duì)電力電容器的影響。電網(wǎng)無(wú)功配置容量中電容器所占比例，其中用戶(hù)電容器約占全部電容器的2/3。這部分電容器的設(shè)計(jì)大多只考慮無(wú)功補(bǔ)償量，不考慮裝設(shè)點(diǎn)電能質(zhì)量的實(shí)際污染情況。因此，運(yùn)行點(diǎn)電能質(zhì)量指標(biāo)低時(shí)，常造成一些事故，如補(bǔ)償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護(hù)熔絲熔斷，甚至發(fā)生串聯(lián)并聯(lián)諧振，引發(fā)電容器的諧波過(guò)電壓與過(guò)電流，導(dǎo)致電容器爆炸等。另外，用戶(hù)電容器的管理目前仍按平均功率因數(shù)進(jìn)行考核，電容器很少按電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況投切，甚至只投不切，無(wú)形中使電網(wǎng)電壓失去了應(yīng)有的調(diào)節(jié)裕度，使電壓偏差等電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)難以控制。

②對(duì)變壓器的影響。諧波電流使變壓器的銅耗增加，引起局部過(guò)熱、振動(dòng)、噪聲增大、繞組附加發(fā)熱等。變壓器勵(lì)磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過(guò)大，這種諧波電流在發(fā)生諧振時(shí)的條件下對(duì)變壓器的**運(yùn)行將造成威脅。

③對(duì)同步發(fā)電機(jī)的影響。用戶(hù)的負(fù)序電流和諧波電流注入系統(tǒng)內(nèi)的同步發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生附加損耗，引起發(fā)電機(jī)局部發(fā)熱，降低絕緣強(qiáng)度。同時(shí)，由于輸出的電壓波形中產(chǎn)生附加諧波分量，使負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生扭振，降低其工作壽命。

④對(duì)斷路器的影響。諧波會(huì)使某些斷路器的磁吹線(xiàn)圈不能正常工作，斷路器的遮斷能力降低，不能遮斷波形畸變率超過(guò)一定限制的故障電流，對(duì)中壓斷路器截?cái)嚯娏鲿r(shí)可能發(fā)生諧頻涌波電壓和重燃現(xiàn)象，導(dǎo)致斷路器觸頭燒損。

⑤對(duì)自動(dòng)控制裝置的影響。隨著數(shù)字控制技術(shù)的大規(guī)模使用，很多精密負(fù)載對(duì)受電電能質(zhì)量指標(biāo)提出了更高要求。電能質(zhì)量污染對(duì)這類(lèi)設(shè)備的危害主要有三個(gè)方面，即在設(shè)備的監(jiān)測(cè)模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計(jì)算、導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。另外還會(huì)對(duì)設(shè)備的硬件，如精密電機(jī)、開(kāi)關(guān)電源等造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。干擾負(fù)載的保護(hù)回路，造成誤動(dòng)作等。

3 諧波治理的方式與措施

綜上所述，由于諧波對(duì)電力系統(tǒng)及用戶(hù)的諸多影響與危害，采取措施來(lái)抑制電力系統(tǒng)中的諧波，目前國(guó)內(nèi)外主要的治理措施有以下兩種。

3.1 傳統(tǒng)的諧波抑制方法——無(wú)源濾波器

電力無(wú)源濾波器即在電容器上串聯(lián)電抗器組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便，除濾波外還兼有無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，容量可設(shè)計(jì)成很大，與有源濾波器相比，成本較低，現(xiàn)廣泛采用。但是，無(wú)源濾波器同時(shí)也存在缺點(diǎn)，一方面是無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)變化的諧波有針對(duì)性進(jìn)行濾波；另一方面是濾除效果一般，只能達(dá)到50%-60%的程度。

3.2 新型的諧波抑制方法——有源濾波器

有源電力濾波器是一種新型諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置，它不同于傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它實(shí)質(zhì)上是一種大功率波形發(fā)生器，它把諧波源發(fā)出的諧波經(jīng)過(guò)采樣、180°移相后，再完整的復(fù)制出來(lái)，并送到諧波源的入網(wǎng)點(diǎn)，復(fù)制的諧波與諧波源產(chǎn)生的諧波幅值相等、方向相反，并跟隨諧波的變化而變化，如此，諧波源產(chǎn)生的諧波就完全被抵消了。有源濾波器按照其接入電網(wǎng)的方式，可分為兩大類(lèi)，即串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器。近年來(lái)為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢(shì)，又設(shè)計(jì)出串聯(lián)混合型和并聯(lián)混合型有源濾波器。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點(diǎn)，但因?yàn)閼?yīng)運(yùn)了大功率電力電子器件，其有功損耗較高，綜合成本比無(wú)源濾波器高出很多，故此在大容量的濾波器裝置上目前還未廣泛采用。隨著微電子控制器和電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，有源電力濾波器的性?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高，而用于LC無(wú)源濾波器的電容和電抗的價(jià)格卻是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此有源電力濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發(fā)展方向。

4  ANAPF低壓有源濾波器在港口碼頭的應(yīng)用案例

港口行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在帶動(dòng)了其他行業(yè)發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，對(duì)電能的需求量也逐漸增大。港口中大量氣體放電類(lèi)電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈,此類(lèi)光源的非線(xiàn)性非常嚴(yán)重,有負(fù)的伏安特性。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)港口所使用的設(shè)備普遍采用晶閘管供電的直流系統(tǒng)或交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，且數(shù)量逐年增長(zhǎng)。這些電能的變換裝置及其用電設(shè)備屬于非線(xiàn)性負(fù)載，是典型的諧波源。它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)不僅向電力系統(tǒng)吸收大量的沖擊性無(wú)功功率，影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，而且還對(duì)電網(wǎng)注入大量諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4.1 項(xiàng)目背景 

寶山羅涇碼頭自投入運(yùn)行以來(lái)，港口的裝車(chē)吊機(jī)經(jīng)常無(wú)故損壞，變頻器經(jīng)常被燒毀，皮帶秤計(jì)量似乎也不準(zhǔn)確，已經(jīng)嚴(yán)重地影響了港口的正常運(yùn)行，帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)查發(fā)現(xiàn)港口配電系統(tǒng)中裝有大量的變頻器，這些變頻器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器從而使裝車(chē)吊機(jī)前后移動(dòng)。變頻器是典型的諧波源，產(chǎn)生大量的諧波，而且此類(lèi)工程的負(fù)載容量通常都比較大，在交流側(cè)存在著很?chē)?yán)重的諧波污染，正是諧波導(dǎo)致了羅涇碼頭的問(wèn)題。

因?yàn)樵摯a頭裝有大量的裝車(chē)吊機(jī)，負(fù)載波動(dòng)比較大，而諧波量的大小和負(fù)載率有著密切聯(lián)系。在負(fù)載率在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，諧波電流有可能極大，在這種情況下系統(tǒng)的電壓會(huì)產(chǎn)生很大畸變。這將會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還會(huì)大大縮短變壓器的使用壽命。此外配電系統(tǒng)中還有皮帶秤和其他負(fù)載，皮帶秤是敏感設(shè)備，變頻器產(chǎn)生的諧波會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)、感應(yīng)等方式對(duì)皮帶秤控制系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶秤工作抖動(dòng)，影響計(jì)量準(zhǔn)確度，同時(shí)對(duì)設(shè)備的壽命、**運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響,也給港口的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)了影響。

寶山羅涇碼頭變頻供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1：變頻供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

寶山羅涇碼頭供電系統(tǒng)中含有大量的變頻器。變頻器是工業(yè)調(diào)整傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備之一。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入的工頻電源經(jīng)過(guò)整流電路變?yōu)橹绷麟娫?，再?jīng)電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電源。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波。

圖2所示為寶山羅涇碼頭變頻動(dòng)力系統(tǒng)電壓及電流波形圖，電壓波峰很平畸變較為嚴(yán)重。圖5顯示三相電壓畸變率均超過(guò)７%，大于國(guó)標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》中所規(guī)定的5%的要求，嚴(yán)重的電壓畸變不但會(huì)影響設(shè)備的壽命，而且可能會(huì)釀成事故。

圖2：電壓及電流波形圖圖                 圖3：電壓電流及功率數(shù)據(jù)

圖4：電流及其相關(guān)數(shù)據(jù)                       圖5：電壓及其相關(guān)數(shù)據(jù)

圖2中的電流波形已經(jīng)基本看不出是正弦波而是較為典型的M波。結(jié)合圖4中電流諧波含量數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出A相、B相、C相電流值為270A、261.6A、283.6A，同時(shí)三相電流的諧波畸變率均超過(guò)50%，查閱國(guó)標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》，本系統(tǒng)的諧波電流均已超過(guò)基準(zhǔn)短路容量所允許的諧波電流限制。綜合電壓及電流數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的電能質(zhì)量很差。

4.2 治理措施及效果

針對(duì)碼頭的具體情況，以治理諧波污染為目的。通過(guò)有針對(duì)性的諧波污染治理，減少甚至消除其對(duì)配電系統(tǒng)的**影響，保證電動(dòng)機(jī)、變壓器、電纜、其他設(shè)備的正常運(yùn)行，提高功率因數(shù)，減少無(wú)功損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，保障可靠供電。

根據(jù)寶山羅涇碼頭變頻動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載分配情況，采用集中補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波治理，即分別在兩臺(tái)變壓器二次側(cè)，也就是在A段和B段母線(xiàn)處安裝1臺(tái)100A ANAPF有源濾波器。

治理后諧波情況明顯改善，電壓諧波畸變率由7%下降到2%，電壓波形如圖6所示，波形幾乎是**的正弦波。治理后電流波形如圖7所示，電流諧波畸變率從50%降低到5%左右，諧波畸變率大大降低。電壓電流諧波質(zhì)量均已符合GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。治理后減少了對(duì)皮帶秤中計(jì)量和傳感器等敏感器件的擾動(dòng)，解決了皮帶秤的抖動(dòng)和計(jì)量不準(zhǔn)問(wèn)題。

據(jù)反饋，自有源濾波器投運(yùn)至今，裝車(chē)吊機(jī)運(yùn)行故障率明顯降低，變頻器故障發(fā)生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮帶秤故障由每月1次到不再出現(xiàn)故障。大大提高了裝車(chē)吊機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單

綜上所述，隨著時(shí)代的變化，新事物、新產(chǎn)品不斷推陳出新，加之高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，隨之而來(lái)的是用電環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。本文僅是在諧波污染方面進(jìn)行了一些淺述，由此可以看出，諧波的治理雖然需要一定的資金投入，但從長(zhǎng)期來(lái)看，對(duì)設(shè)備的保護(hù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的，在用電**方面的改善所帶來(lái)的社會(huì)效益也是十分顯著的。

［1］ 江蘇安科瑞電器制造有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版

［2］ 查慧勤 《諧波治理的必要性及案例分析》