龔永波
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文通過對(duì)諧波概念及其危害的分析，對(duì)諧波源的分類描述，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(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(diǎn)對(duì)稱，在正弦波作用下，勵(lì)磁電流為對(duì)稱奇函數(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?，即將工頻的交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，再將直流電源變?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中性線，使中性線電流大大超過其安全電流值造成過負(fù)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(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熱、過電流、過電壓等而不能正常運(yùn)行甚至燒毀。
4.5開關(guān)和繼電設(shè)備
諧波電流會(huì)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(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，使人易視覺疲勞，降低工作效率，對(duì)于通信等設(shè)備會(huì)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(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)采用無源濾波器，但同時(shí)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(shí)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(huì)很小，所以相應(yīng)的諧波電流，不論大小都會(huì)通過該電路，因此無源濾波器容易過載，在過載時(shí)，機(jī)器會(huì)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(dòng)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(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，*后過濾效果會(huì)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(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)使之成為未來諧波補(bǔ)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(diǎn):不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)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(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
有源濾波器與無源濾波器的工作原理是完全不同有源濾波器是通過電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過內(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)量的無功功率。
一個(gè)電磁接觸器模塊用于平穩(wěn)啟動(dòng)。用來幫助減少當(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(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)見后附頁(yè))
從上面量測(cè)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
(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)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(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)說明
7.3尺寸說明
7.4產(chǎn)品實(shí)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(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)
[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(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
