龔永波
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文通過(guò)對(duì)諧波概念及其危害的分析，對(duì)諧波源的分類(lèi)描述，指明了諧波對(duì)于現(xiàn)代建筑整個(gè)供配電系統(tǒng)的嚴(yán)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(guò)具體實(shí)例的分析詳細(xì)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(shuō)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(lái)，隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程的不斷深入，以及國(guó)家對(duì)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(fù)荷的大量使用，并且功率越來(lái)越大，導(dǎo)致了供配電電能質(zhì)量的嚴(yán)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(huì)形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的設(shè)備損壞。諧波對(duì)于整個(gè)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(jì)和19世紀(jì)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(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)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(chēng)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(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱(chēng)為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)波。諧波實(shí)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(biāo)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(shí)，也產(chǎn)生諧波電流及諧波功率。對(duì)于目前的建筑辦公樓宇*常見(jiàn)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(lèi)典型的非線性區(qū)，它以原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，在正弦波作用下，勵(lì)磁電流為對(duì)稱(chēng)奇函數(shù)。目前在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)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(diǎn)偏離線性工作區(qū)越遠(yuǎn)，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(qiáng)，變頻裝置已經(jīng)越來(lái)越普遍的被用于風(fēng)機(jī)、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?fù)湟话銥榻恢绷餍停磳⒐ゎl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(jī)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(lèi)設(shè)備所產(chǎn)生的諧波分量有時(shí)可高達(dá)基波分量的50%~60%，由于變頻設(shè)備功率大，數(shù)量多，因此對(duì)整個(gè)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(zhǎng)，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(dāng)明顯。電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器，此類(lèi)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(shí)可高達(dá)基波分量的25%。照明設(shè)備數(shù)量巨大，因此，對(duì)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(yán)重的干擾與破化，諧波的危害主要有如下幾點(diǎn):
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(yán)重時(shí)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(huì)在中性線疊加，以3倍于相線的電流通過(guò)中性線，使中性線電流大大超過(guò)其安全電流值造成過(guò)負(fù)荷，這種狀態(tài)下就有可能造成導(dǎo)線過(guò)熱引起線路周?chē)扇佳b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(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。
4.3電動(dòng)機(jī)
對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，大的會(huì)引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升；另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)中的諧波電流，與某零件的固有頻率接近時(shí)，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，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(huì)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(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時(shí)，會(huì)放大諧波電流，使電容器及熔斷器因過(guò)熱、過(guò)電流、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行甚至燒毀。
4.5開(kāi)關(guān)和繼電設(shè)備
諧波電流會(huì)引起開(kāi)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(duì)某些絕緣組件而言會(huì)降低其使用壽命。諧波電流還會(huì)使繼電保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤動(dòng)作，低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置，系根據(jù)電流峰值來(lái)動(dòng)作，而此種型式之跳脫裝置會(huì)因饋線供電給非線性負(fù)載而導(dǎo)致不正常跳閘。
4.6計(jì)量?jī)x表、照明、通信等設(shè)備
電能測(cè)量?jī)x表因諧波會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)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(huì)引起照明閃爍，使人易視覺(jué)疲勞，降低工作效率，對(duì)于通信等設(shè)備會(huì)通過(guò)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(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》。該標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，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(dòng)器代替六脈沖驅(qū)動(dòng)器。
5.2設(shè)置無(wú)源濾波器
當(dāng)諧波水平較高時(shí)，使用諧波濾波器，傳統(tǒng)上會(huì)采用無(wú)源濾波器，但同時(shí)它也帶出一些問(wèn)題。無(wú)源濾波器是由一組串聯(lián)的電抗器、電容器，有時(shí)還包括電阻器等無(wú)源元件組成，由于無(wú)源濾波器在諧振頻率下的阻抗會(huì)很小，所以相應(yīng)的諧波電流，不論大小都會(huì)通過(guò)該電路，因此無(wú)源濾波器容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)，機(jī)器會(huì)關(guān)掉或被破壞。過(guò)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(dòng)裝置等等)無(wú)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(shí)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(huì)改變諧振頻率，*后過(guò)濾效果會(huì)大大下降。此外，*關(guān)鍵的是無(wú)源濾波器只可以過(guò)濾一種諧波成份如果過(guò)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(lái)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(shí)時(shí)檢測(cè)的閉環(huán)運(yùn)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(dòng)態(tài)地抑制諧波電流并能實(shí)時(shí)補(bǔ)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(shí)際運(yùn)用中，可以根據(jù)供配電系統(tǒng)的實(shí)際情況來(lái)選用適用的型式。有源濾波器的顯著優(yōu)點(diǎn)使之成為未來(lái)諧波補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向，它將取代傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器。
有源濾波器的優(yōu)點(diǎn):不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)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(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)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(diǎn)。
6.有源濾波器在辦公樓宇中的應(yīng)用實(shí)例
6.1有源濾波器的工作原理
有源濾波器與無(wú)源濾波器的工作原理是完全不同有源濾波器是通過(guò)電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)截電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)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(bǔ)償它由以下幾個(gè)部分組成:
一個(gè)脈動(dòng)電流濾波器模塊。它的主要功能是吸收高頻脈動(dòng)電流和補(bǔ)償一定數(shù)量的無(wú)功功率。
一個(gè)電磁接觸器模塊用于平穩(wěn)啟動(dòng)。用來(lái)幫助減少當(dāng)直流電容器充電時(shí)的涌入電流的幅值。
一個(gè)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(gè)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(gè)直流電容器模塊，用來(lái)存儲(chǔ)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(bǔ)償諧波電流。
1)開(kāi)關(guān)
2)快熔斷保險(xiǎn)絲
3)脈動(dòng)電流濾波器模塊
4)平穩(wěn)啟動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(yán)重的安全隱患，如:變壓器過(guò)熱、中心線過(guò)載設(shè)備異常跳閘、自控系統(tǒng)絮亂、電腦設(shè)備死機(jī)等等。針對(duì)上述情況，我們對(duì)大樓內(nèi)的變頻冷凍機(jī)進(jìn)行諧波治理，以下為治理前后的數(shù)值對(duì)比:
1)波器運(yùn)行前后的對(duì)比情況:
設(shè)備運(yùn)行，濾波器停止
設(shè)備運(yùn)行，濾波器運(yùn)行
2)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析(數(shù)據(jù)見(jiàn)后附頁(yè))
從上面量測(cè)數(shù)據(jù)看以看出來(lái)，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
(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；
(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；
(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；
(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；
(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；
(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)。
7.2型號(hào)說(shuō)明
7.3尺寸說(shuō)明
7.4產(chǎn)品實(shí)物展示
ANAPF有源濾波器
8.結(jié)束語(yǔ)
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(duì)于諧波所造成的危害的重視，在現(xiàn)今能源短缺的時(shí)代，同時(shí)在國(guó)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(xiàn)
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[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.
作者簡(jiǎn)介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電，Email: 28801392115@qq.com手機(jī)：18702101301 QQ:2881392115