安科瑞有源滤波应用

在电力系统中，谐波是指频率为基波整数倍的交流分量。在配电网中，非线性负载如电力电子设备（如开关电源、UPS等）、电弧炉、电动机等是主要的谐波源。这些设备在工作时，会向电网注入谐波电流，导致电网电压波形畸变，对配电系统造成不良影响。

二、谐波对配电网的影响

1. 设备过热：谐波电流在导体中会产生额外的热损耗，导致设备过热，缩短使用寿命。

2. 损耗增加：谐波电流在传输线路中会产生额外的线损，导致能源浪费。

3. 保护装置误动：谐波电流可能导致继电保护装置误动，影响电力系统的稳定运行。

4. 测量误差：谐波电流可能导致电能计量装置测量误差，影响电力系统的经济运行。

三、谐波分析及治理的方法

1. 谐波分析：通过电力监测设备对配电网中的谐波电流进行实时监测和分析，了解谐波的种类、幅度和频率分布情况。

2. 无源滤波器：利用LC滤波器滤除特定频率的谐波电流，降低谐波电压。

3. 有源滤波器：通过PWM（脉冲宽度调制）等技术，产生与谐波电流相反的电流，抵消谐波电流，改善电压波形。

4. 优化用电设备：选用具有低谐波电流特性的用电设备，从源头上减少谐波的产生。

5. 合理规划配电网：通过合理规划配电网的结构和布局，减少谐波电流在配电网中的传播和影响。

四、实际应用案例

某钢铁企业在生产过程中大量使用电弧炉、电动机等设备，导致配电网中存在严重的谐波污染。通过对配电网进行谐波分析及治理，采取无源滤波器和有源滤波器相结合的方式，有效地降低了谐波电压，提高了电压质量，减少了设备过热和能源浪费等问题，取得了良好的经济效益和社会效益。

五、谐波治理措施的分析与比较

根据技术原理的不同，谐波治理的解决方案有多种，应用有源电力滤波器进行谐波治理，因其动态滤波能力，滤波效果等优势，被越来越广泛地应用，是谐波治理的技术发展方向。下面对不同的谐波治理技术做简要的分析和比较。

5.1 传统的谐波治理方式

（1） 变大供电容量。这是一种原始的方法，当谐波问题影响到电力系统时，就变大供电系统的容量。例如: 变大变压器或发电机容量，以求系统能够忍受谐波带来的种种问题；当谐波 问题出现在电缆传输过程中，就变大电缆的横截面，以减少集肤效应的影响。无疑地，这是一种既昂贵又消极的办法，昂贵就贵在了每变大1KVA 的供电能力，就要支付大约 1000元~1200元人民币的投资，要变大几百KVA，其价格就要增加几拾万元人民币；消极方面是说这种办法根本没有解决谐波的客观存在，仅仅是把谐波的影响降低到尽可能小的程度，一旦负载容量变大，谐波问题又会再次涌现出来。

（2）采用特殊的变压器变换。例如采用?/Yno 的方法可以治理三次和3n次谐波对电网的注入；采用?/Y+?/?移相式变压器可治理整流器中的5次、7次谐波；采用K-13特殊变压器还可以同时治理 3~17次谐波对电网的注入。这种方式的一次性投资都比较大，而且由于特殊变压器串联在电网与负载之间，形成了附加阻抗，降低了电网的实际带载能力；当负载发生较大增容时也受到了一定的限制，其结果会使剩余次谐波所产生的电压失真度也变大了。

（3） 双桥或多桥式整流器。工业生产中可控硅整流器是一种常见的变流设备，三相全控桥式整流又是应用普通的设备，然而也是谐波含量较高的设备，在一些有色金属冶炼中，为了减少谐波对电网的影响，往往采用 12 脉冲整流器，甚至 24 脉冲整流器，虽然谐波电流得以治理，但一次性投资仍然很大，并且由于采用的功率电路复杂，设备的可靠性相对降低，对工业生产是有消极作用的。

（4） 无源滤波器。这是应用较广泛的谐波治理手段。它是按照希望治理的谐波次数专门量身定造的，采用电感电容的调谐原理，将高次谐波陷落在滤波器中，以减少对电网的注入。但 是这种滤波器对于负载谐波频谱发生变化时，就显得软弱无力了。在采用发电机组供电的场合，这种滤波器的启动电流又很大，呈容性负载，往往使发电机组难以承受；如果是多台滤波器 并联使用或补偿的无功功率与负载的需求不一致，还可能造成供电系统的谐振现象。

（5）串联电抗器。串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频调速器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大，因此其治理谐波的作用受到限制。通常只能使电流失真度（THDI）降低50%左右。

5.2 传统的谐波治理方式的特点

传统的谐波治理方式虽然能在一定程度上解决了谐波对电网注入的问题，但普遍存在着效果不理想的情况，主要表现在:

（1）谐波频谱的适应范围较小，大多是针对某一次或某几次谐波进行治理，如果负载是一个宽频谱或频谱发生变化时，就很难获得理想的效果。

（2）适应负载特性的能力较差，如果负载是一个频繁变化的特性，或是负载系统是由众多的不同特性的设备群组成的，则上述这些治理方式均受到局限。

（3）效率低也是上述治理方式的局限性, 不论是串联电抗器还是变压器变换或者是低通滤波，这些功率器件本身都存 在着阻抗，会产生一定的附加损耗，其结果不是设备方面的效率降低（大约 2~3%），就是供电系统的带载能力降低。

（4）治理的效果仍然不够理想，作为衡量治理效果的指标就是总谐波电流失真度的衰减率（THDI Attenuation Ratio），通常对某一次或某几次谐波可能有 5~8 倍的衰减，而对总谐波失真度一般仅能达到 2~3 倍。

（5）过载能力较差，使负载电流变大受到约束。

（6）基波频率不能改变，例如：50Hz变为60Hz。

（7）系统阻抗变化时有共振的危险。

（8）整体尺寸、重量、造价都是不可忽略的因素。

5.3 有源电力滤波器

与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可治理闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。

六、安科瑞谐波治理产品选型

6.1安科瑞ANAPF系列有源电力滤波器介绍

有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

图6-1

6.2安科瑞有源电力滤波器选型

立柜式

备注：具体尺寸按报价方案为准。

模块化

七、配电网谐波治理的对策

既然谐波存在多方面的危害，采取必要的手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：

（1）加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100 以及国标GB/T14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳 定运行的举措。

（2）主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。

（3）针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限在标准允许的范围内。

（4）加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。

八、结论

谐波分析及治理在配电网中的应用对于提高电力系统的稳定性和经济性具有重要意义。通过采取相应的技术和措施，可以有效地降低谐波电流对配电网的影响，提高电力系统的运行效率和质量。未来，随着新能源和智能电网的发展，谐波分析及治理技术将发挥更加重要的作用。