任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文通過對諧波概念及其危害的分析，對諧波源的分類描述，指明了諧波對于現(xiàn)代建筑整個供配電系統(tǒng)的嚴重危害，從而引出抑制諧波的重要性、緊迫性，并提供了幾種措施，其中，又通過具體實例的分析詳細闡述了有源濾波器在抑制濾波中的應(yīng)用及其工作原理，并說明了采取該措施之后所取得的效果。

關(guān)鍵詞：諧波、危害、措施、有源濾波器

1.引言

近年來，隨著現(xiàn)代化的進程的不斷深入，以及國家對于節(jié)能減排的倡導(dǎo)，建筑行業(yè)大量地采用整流及變頻設(shè)備，整流及變頻器的使用在節(jié)能上起到了很好的作用，然而這些非線性負荷的大量使用，并且功率越來越大，導(dǎo)致了供配電電能質(zhì)量的嚴重降低。這些非線性設(shè)備所產(chǎn)生的大量的多次諧波，與供配電網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)容抗和系統(tǒng)阻抗在一定的參數(shù)條件下，會形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)中的設(shè)備損壞。諧波對于整個供配電系統(tǒng)的危害已經(jīng)引起了人們的廣泛重視，抑制諧波，提高供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量已經(jīng)刻不容緩。

2.諧波的概念

“諧波"一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)，傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)為諧波次數(shù)電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分數(shù)波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染"。諧波是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標之，是電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督的重要內(nèi)容，其污染程度的大小直接關(guān)系電能質(zhì)量的優(yōu)劣。

3.諧波源

諧波通常是由非線性供電設(shè)備所產(chǎn)生的，如變壓器、整流器、變頻裝置等，這些設(shè)備在吸收基本功率的同時，也產(chǎn)生諧波電流及諧波功率。對于目前的建筑辦公樓宇*常見的諧波源如下。

3.1變壓器產(chǎn)生諧波

電力變壓器產(chǎn)生諧波主要由于變壓器鐵芯材料具有非線性磁化曲線引起的，變壓器的鐵芯磁化曲線除了一般線性區(qū)以外，還有飽和區(qū)、死區(qū)和滯后區(qū)這三類典型的非線性區(qū)，它以原點對稱，在正弦波作用下，勵磁電流為對稱奇函數(shù)。目前在設(shè)計變壓器時考慮其經(jīng)濟性，所以，其工作磁密選擇均在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。諧波次數(shù)還受其一、二次側(cè)接線方式(△或Y)的影響，諧波的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度等有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性工作區(qū)越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大。

3.2變頻器產(chǎn)生諧波

隨著變頻器產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及人們節(jié)能環(huán)保意思的加強，變頻裝置已經(jīng)越來越普遍的被用于風機、水泵、空調(diào)等設(shè)備中。我們目前常用的變頻器的主電路拓撲一般為交直流型，即將工頻的交流電源變?yōu)橹绷麟娫矗賹⒅绷麟娫醋優(yōu)榭刂平涣麟姍C所需要的頻率和電壓，此種變換形式的低壓變頻器，所產(chǎn)生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。有資料顯示，此類設(shè)備所產(chǎn)生的諧波分量有時可高達基波分量的50%~60%，由于變頻設(shè)備功率大，數(shù)量多，因此對整個供配電系統(tǒng)的影響也就很大。

3.3電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生諧波

目前建筑照明設(shè)備幾乎都采用了電子鎮(zhèn)流器，使用電子鎮(zhèn)流器的好處是光效高，消除了頻閃，燈管使用壽命延長，功率因素高，噪音低，可調(diào)光，且照明設(shè)備自身功耗低，節(jié)能效果相當明顯。電子鎮(zhèn)流器是一個將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器，此類設(shè)備所產(chǎn)生的諧波分量均為奇次諧波，有資料顯示，電子鎮(zhèn)流器所產(chǎn)生的諧波分量有時可高達基波分量的25%。照明設(shè)備數(shù)量巨大，因此，對于供配電系統(tǒng)的影響也是很大的。

4.諧波的危害

目前由于產(chǎn)生諧波的設(shè)備量大面廣，諧波使建筑樓宇的供配電系統(tǒng)面臨著嚴重的干擾與破化，諧波的危害主要有如下幾點:

4.1電力變壓器

鐵芯磁感應(yīng)環(huán)流增加，電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效應(yīng)是使變壓器溫度上升，功耗增加；加速絕緣老化，造成容量裕度減小，影響設(shè)備壽命；諧波還可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，嚴重時可造成變壓器燈的燒毀。

4.2電力電纜

由于諧波頻率較高，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)就越大，發(fā)熱損耗增加，加速絕緣老化，影響壽命。況且，3次諧波會在中性線疊加，以3倍于相線的電流通過中性線，使中性線電流大大超過其安全電流值造成過負荷，這種狀態(tài)下就有可能造成導(dǎo)線過熱引起線路周圍可燃裝修材料起火或中性線熔斷，造成各相電壓不平衡，燒壞線路中接入的電器設(shè)備進而引發(fā)火災(zāi)。

4.3電動機

對于經(jīng)常啟動的電動機，大的會引起電動機發(fā)熱，導(dǎo)致電動機的額外溫升；另外，當電動機中的諧波電流，與某零件的固有頻率接近時，還會使電動機產(chǎn)生機械振動，發(fā)出很大的噪聲。

4.4電力電容器組

用電系統(tǒng)中為了提高功率因數(shù)一般都加電力電容器組，而諧波會加速電容器的老化使電容器的損耗系數(shù)增大，附加損耗增加，從而容易放生故障和縮短電容器的壽命。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會放大諧波電流，使電容器及熔斷器因過熱、過電流、過電壓等而不能正常運行甚至燒毀。

4.5開關(guān)和繼電設(shè)備

諧波電流會引起開關(guān)之額外損失，并提高溫升使承載基波電流能力降低，湛升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。諧波電流還會使繼電保護設(shè)備產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作，低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置，系根據(jù)電流峰值來動作，而此種型式之跳脫裝置會因饋線供電給非線性負載而導(dǎo)致不正常跳閘。

4.6計量儀表、照明、通信等設(shè)備

電能測量儀表因諧波會造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差降低精確度；諧波電流會引起照明閃爍，使人易視覺疲勞，降低工作效率，對于通信等設(shè)備會通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳到等方式耦合到系統(tǒng)中，從而對設(shè)備產(chǎn)生干擾而影響其正常的工作或減少使用壽命。

5.抑制諧波的措施

為了控制諧波的泛濫，凈化供配電系統(tǒng)的波形，提高供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和效率，國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》。該標準規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值(表1)、諧波電流值(表2)。

5.1增加變流裝置的整流相數(shù)

在裝置里作出結(jié)構(gòu)上的改動，包括把一些敏感的設(shè)備接與電網(wǎng)的清潔部分，另外，也可選用十二脈沖驅(qū)動器代替六脈沖驅(qū)動器。

5.2設(shè)置無源濾波器

當諧波水平較高時，使用諧波濾波器，傳統(tǒng)上會采用無源濾波器，但同時它也帶出一些問題。無源濾波器是由一組串聯(lián)的電抗器、電容器，有時還包括電阻器等無源元件組成，由于無源濾波器在諧振頻率下的阻抗會很小，所以相應(yīng)的諧波電流，不論大小都會通過該電路，因此無源濾波器容易過載，在過載時，機器會關(guān)掉或被破壞。過載的原因可能是一些在供電系統(tǒng)里不能預(yù)知的諧波源(例如:新增的驅(qū)動裝置等等)無源濾波器的濾波程度取決于其阻抗與電網(wǎng)中其他阻抗的關(guān)系，因此，濾波程度很難控制，除此之外，隨著時間的推移，元器件的老化或配電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的變化，都會改變諧振頻率，*后過濾效果會大大下降。此外，*關(guān)鍵的是無源濾波器只可以過濾一種諧波成份如果過濾不同的諧波，則要分別連接不同的濾波器。

5.3設(shè)置有源濾波器

有源濾波器(APF)是近年來發(fā)展迅速的新技術(shù)，APF是利用可控的功率半導(dǎo)體器件，采用了實時檢測的閉環(huán)運行方式，向電網(wǎng)注人與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，有源濾波器能動態(tài)地抑制諧波電流并能實時補償(大小和頻率都變化的)諧波電流。有源濾波器根據(jù)電路組成形式和接入電網(wǎng)的方式不同，可分為電壓源型和電流源型串聯(lián)型和并聯(lián)型。實際運用中，可以根據(jù)供配電系統(tǒng)的實際情況來選用適用的型式。有源濾波器的顯著優(yōu)點使之成為未來諧波補償?shù)陌l(fā)展方向，它將取代傳統(tǒng)的無源濾波器。

有源濾波器的優(yōu)點:不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應(yīng)功能可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點。

6.有源濾波器在辦公樓宇中的應(yīng)用實例

6.1有源濾波器的工作原理

有源濾波器與無源濾波器的工作原理是wan全不同有源濾波器是通過電流互感器檢測負載電流，并通過內(nèi)部DSP計算，提取出負截電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT控制逆變器產(chǎn)生一個與負載諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到電網(wǎng)中，達到消除濾波的目的。如下圖所示:

BESTSINE有源濾波器能提供三相諧波電流的補償它由以下幾個部分組成:

一個脈動電流濾波器模塊。它的主要功能是吸收高頻脈動電流和補償一定數(shù)量的無功功率。

一個電磁接觸器模塊用于平穩(wěn)啟動。用來幫助減少當直流電容器充電時的涌入電流的幅值。

一個高頻的電感電容器模塊。作為電力整流器和電力系統(tǒng)之間的電能傳送接口單元。

一個IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)電力整流器模塊。用于轉(zhuǎn)換電力系統(tǒng)中的諧波能量和產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網(wǎng)。這樣就能將電網(wǎng)中的諧波抵消掉。

一個直流電容器模塊，用來存儲從電力系統(tǒng)中得到的能量，然后將這些能量提供給IGBT整流器去產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成份大小相等、方向相反的補償諧波電流。

1)開關(guān)

2)快熔斷保險絲

3)脈動電流濾波器模塊

4)平穩(wěn)啟動電磁接觸器模塊

5)高頻電感電容模

6)IGBT電力流塊

7)直流電容模塊

6.2應(yīng)用實例

目前的建筑辦公樓宇暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等設(shè)備均大量的采用了變頻控制,除此之外,辦公樓宇不但有大量的辦公照明，而且，還有大量的泛光照明，這些設(shè)備的特點使其產(chǎn)生了大量的諧波。受到諧波污染的供配電網(wǎng)存在著嚴重的安全隱患，如:變壓器過熱、中心線過載設(shè)備異常跳閘、自控系統(tǒng)絮亂、電腦設(shè)備死機等等。針對上述情況，我們對大樓內(nèi)的變頻冷凍機進行諧波治理，以下為治理前后的數(shù)值對比:

1)波器運行前后的對比情況:

設(shè)備運行，濾波器停止

設(shè)備運行，濾波器運行

2)測試數(shù)據(jù)及分析(數(shù)據(jù)見后附頁)

從上面量測數(shù)據(jù)看以看出來，在安裝了有源濾波器

后，在電能質(zhì)量改善方面產(chǎn)生了較為明顯的效果:總諧波電流畸變率(ITHD)從原先的77%，下降到了11%左右;其中5次諧波電流從原先的近20%，下降到了1.5%左右;7次諧波電流從原先的12%，下降到了1.4%左右;功率因數(shù)、電壓有效值均得到了提高。

7.安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級。

7.2型號說明

7.3尺寸說明

7.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

8.結(jié)束語

本文從諧波的概念、產(chǎn)生、危害等以及在建筑樓宇的應(yīng)用，作了較為詳盡的闡述，目的在于喚起大家對于諧波所造成的危害的重視，在現(xiàn)今能源短缺的時代，同時在國家大力提倡節(jié)能減排的今天，更應(yīng)該重視諧波所帶給我們的危害，從而從根本上得到有效的治理。

參考文獻

[1]高翔.建筑辦公樓宇中有源濾波器的應(yīng)用[J].安裝,2013(03):52-55.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介

任運業(yè)，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。