谐波治理技术应用研究

许 冬，董晓利

(1.机械工业第六设计研究院有限公司 市政工程院，河南 郑州 450007；2.北京曼邦斯科技有限公司 销售部，北京 100027)

理想交流三相电力系统的电压频率恒定，电压水平稳定，波形呈正弦形，而各相的电压和电流应分别处于幅值相等、相位差为120°的完全对称状态。然而，在电力系统的实际运行中，这种理想状态并不存在，究其原因，主要是在供配电系统中，各类电气元件的实际波形并不完全是线性的，而且系统各项运行参数受制于各类负荷的差异，并受不完善的调控方法等因素干扰。电能质量正是反映电力系统理想程度的指标。电能质量一般由电压质量来衡量。它包括电压幅值、频率和波形的质量。根据理想的电能质量要求，交流三相电力系统应具有恒定频率、恒定幅值的正弦电压，且能向用户连续供电。电能质量出现问题可能对用户尤其是敏感用户造成巨大损失。

由于电能质量不完全取决于发电端性能，而主要是由谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等用户负荷干扰造成的，而且，电能质量的各项指标是随着空间和时间的变化而动态变化的；因此，应合理设计用电系统，采取适当措施来消除或尽可能降低用户负荷变化对电网电能质量的影响，保障电力系统安全稳定运行。我国供电企业通常是采用先进的科学技术来保障配电网稳定运行，提升其安全性能的。选择有效的低压配电网谐波抑制措施，对电力系统来说有着十分重要的意义[1]。本文拟结合具有代表性的实验检测数据，对保证电能质量的技术措施进行研究。

1 谐 波

在电能质量受到的多种干扰因素中，谐波影响是最为普遍的。当前，电力系统的非线性负荷正在快速增长，非线性负荷产生的谐波使电网谐波含量不断提高，导致电压、电流的波形发生畸变，进而使电网的电能质量出现问题，相关电气设备的正常运行受到影响[2]。常见的非线性负荷包括接入电力系统的半导体整流器、逆变器、变频器，各种半导体调压、调相、调频装置，大型医疗设备，电力牵引机车，电弧炉，感应电炉，气体放电灯，以及用半导体元件制成的各种家用电器等[3]。电力系统中能产生非线性负荷的设备称为谐波源。

在自动化生产和大中型公共建筑的电力系统中，为满足控制和节能要求，电力设备的变频控制方式被广泛采用，而变频器就是一种常见的谐波源。变频器一般为交流—直流—交流结构，其内部主电路由整流和逆变两大部分组成。变频器工作时，外部输入 380 V/50 Hz的工频电源三相交流电，首先由三相桥路整流成直流电压，然后经电容滤波及晶体管开关元件逆变，成为电压和频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，它可分解为基波和谐波。谐波通常为6n±1次的高次谐波，其含量将会影响电网电源侧的电能质量。

谐波按照来源的不同可分为电网侧谐波和用户侧谐波。电网侧谐波一般为低频谐波，通常是40次以下的谐波，会对供电系统产生危害，导致电网供电效率下降、电容发热甚至烧毁等严重后果[4]。用户侧谐波一般为高频谐波，通常是40次以上的谐波，会损害用电设备，使其出现死机、效率低下、耗电增大、寿命下降等问题。

对于系统容量小且谐波波动大的配电系统来说，谐波产生的干扰不可忽视[5]。在电力系统中，各种谐波源产生的谐波会对电力系统造成污染而影响整个电气环境(包括电力系统本身和数量众多的用户设备)。因此，无论从保证电力系统的安全经济运行，还是从保证用电设备的正常工作来看，对谐波污染加以限制都是非常必要的。实践中，对非线性负荷采取措施(如装设滤波器等)，可将谐波限制在规定值以下。

2 有源滤波

随着大功率可关断电子器件技术的不断成熟，有源滤波器(Active Power Filter,APF)的用量越来越大。有源滤波器是一种基于电流检测和电流注入技术的大功率电力电子装置。它通常被并联在电网和非线性负荷之间，能通过外部电流互感器实时检测负载电流波形(一般负载电流上含有大量的谐波成分)，并采用内部数字信号处理(DSP)技术来提取负载电流的谐波成分，将所输出的脉宽调制(PWM)信号输送给内部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变器，使逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，注入电网[6]，从而使流入电网的电流为纯净的正弦电流，实现滤波器滤除(抵消)谐波、动态补偿系统无功与电压波动、抑制谐振、提高功率因数等功能，达到提高供电系统安全性、节能降耗的目的[7]。

有源滤波的原理如图1所示。有源滤波的流程如下：首先，断路器合闸，合闸后，有源滤波电路通过预充电电阻对直流母线的电容进行充电，在母线电压达到额定值后，预充电接触器闭合；然后，直流电容在IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流的同时为它们提供能量，并通过电源变换器向控制与检测系统提供工作电源。

图1 有源滤波原理图

3 谐波治理效果检验

为了客观准确地反映谐波治理效果，本文选取某企业实际生产中两台运行在未满载情况下的变频器所配套的有源滤波器，进行谐波治理效果检验。检验环境与实际生产状况完全一致。谐波治理效果检验的测试点布置如图2所示。

图2 谐波治理效果检验的测试点布置

谐波治理效果检验所用 Fluke 435-Ⅱ型三相电能质量分析仪的技术性能符合IEC 61000-4-30 A级标准。该型电能质量分析仪采用PowerLog 3.0软件，以事件波形捕获(如电压暂降、瞬变等)方式进行电参数波形检测。其基本PQ(Power Query)功能为:V/A/Hz、功率、暂降、暂升、谐波、不平衡；高级PQ功能为:闪变、瞬变、控制信号电压；行业安全等级为:600 V CAT Ⅳ/1 000 V CAT Ⅲ。

实验过程中，将电能质量分析仪的输入、输出端子分别与受测线路的进、出线侧连接，通过操作分析仪相关功能选择按钮，使分析仪显示器上直观准确地显示电力系统在不同时刻的实时频率、电流畸变率、谐波含量等相关数据。

图3、图4分别为所检测1#和2#变频器在有源滤波器运行前后的电流畸变率和5次谐波含量。

(a) APF运行前的电流畸变率

(b) APF运行后的电流畸变率

(c) APF运行前的5次谐波含量

(d) APF运行后的5次谐波含量图3 1#有源滤波器运行前后的电流畸变率和5次谐波含量

(a) APF运行前的电流畸变率

(b) APF运行后的电流畸变率

(c) APF运行前的5次谐波含量

(d) APF运行后的5次谐波含量图4 2#有源滤波器运行前后的电流畸变率和5次谐波含量

4 谐波治理效果分析

本文用三相电能质量分析仪精确检测后，对两台变频器配套的有源滤波器运行前后的电力系统谐波数据进行了分析与计算。谐波治理前后的数据对比如表1所示。

表1 谐波治理前后的数据对比

分析图3-图4和表1，并对有源滤波器运行前后的电力系统谐波数据进行对比，可知：在不同的运行频率下，两台变频器在谐波治理后的谐波畸变率均降到了6%左右；采用有源滤波器后，谐波治理效果均达到了92%左右；5次谐波含量的治理效果均达到了97%以上；其余高次谐波含量均显著下降，甚至基本消除。

分析可知：在含有变频器等非线性负荷的电力系统中，采用APF对电能质量的改善效果是十分显著的；APF能快速响应电力系统的电压突变，抑制电网电压波动和闪变，稳定系统电压，有效发挥抑制电流畸变的作用，达到治理谐波的目的[8]。

5 结束语

本文针对含有不同规模非线性负荷的电力系统，采用相应有源滤波器对谐波进行治理，有效地降低了电力系统中的高次谐波分量，使系统电流畸变的程度大为降低。这有利于净化电网环境，提高电力系统电能质量，保障电网及用户端设备的安全可靠运行，减少系统的电能损耗，可产生一定的经济效益。谐波治理与无功补偿技术在未来将得到协调发展。工程中采用模块化有源滤波器成套设备，可进一步降低项目成本。谐波治理技术的发展，将会有效地提高供电质量和用电效率，降低线路损耗，延长逆变器、变频器等电气元件和设备的使用寿命。