諧波治理的必要性及案例分析

綜上所述，由于諧波對電力系統及用戶的諸多影響與危害，必須采取有效措施來抑制電力系統中的諧波，目前國內外主要的治理措施有以下兩種。

3.1 傳統的諧波抑制方法——無源濾波器

電力無源濾波器即在電容器上串聯電抗器組成，其優點是結構簡單、運行可靠、維修方便，除濾波外還兼有無功補償的功能，容量可設計成很大，與有源濾波器相比，成本較低，現廣泛采用。但是，無源濾波器同時也存在缺點，一方面是無法對動態變化的諧波有針對性進行濾波；另一方面是濾除效果一般，只能達到50%-60%的程度。

3.2 新型的諧波抑制方法——有源濾波器

有源電力濾波器是一種新型諧波抑制和無功補償裝置，它不同于傳統的無源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它實質上是一種大功率波形發生器，它把諧波源發出的諧波經過采樣、180°移相后，再完整的復制出來，并送到諧波源的入網點，復制的諧波與諧波源產生的諧波幅值相等、方向相反，并跟隨諧波的變化而變化，如此，諧波源產生的諧波就完全被抵消了。有源濾波器按照其接入電網的方式，可分為兩大類，即串聯有源濾波器和并聯有源濾波器。近年來為了發揮有源濾波器的優勢，又設計出串聯混合型和并聯混合型有源濾波器。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點，但因為應運了大功率電力電子器件，其有功損耗較高，綜合成本比無源濾波器高出很多，故此在大容量的濾波器裝置上目前還未廣泛采用。隨著微電子控制器和電力半導體器件的發展，有源電力濾波器的性價比會越來越高，而用于LC無源濾波器的電容和電抗的價格卻是呈增長趨勢，因此有源電力濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發展方向。

4  ANAPF低壓有源濾波器在港口碼頭的應用案例

港口行業的蓬勃發展，在帶動了其他行業發展進步的同時，對電能的需求量也逐漸增大。港口中大量氣體放電類電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈,此類光源的非線性非常嚴重,有負的伏安特性。隨著電力電子技術的發展，近年來國內港口所使用的設備普遍采用晶閘管供電的直流系統或交-交變頻調速系統，且數量逐年增長。這些電能的變換裝置及其用電設備屬于非線性負載，是典型的諧波源。它們在工作時不僅向電力系統吸收大量的沖擊性無功功率，影響電網電壓穩定性，而且還對電網注入大量諧波，嚴重影響電網電能質量。

4.1 項目背景 

寶山羅涇碼頭自投入運行以來，港口的裝車吊機經常無故損壞，變頻器經常被燒毀，皮帶秤計量似乎也不準確，已經嚴重地影響了港口的正常運行，帶來嚴重的負面經濟效益。調查發現港口配電系統中裝有大量的變頻器，這些變頻器帶動驅動器從而使裝車吊機前后移動。變頻器是典型的諧波源，產生大量的諧波，而且此類工程的負載容量通常都比較大，在交流側存在著很嚴重的諧波污染，正是諧波導致了羅涇碼頭的問題。

因為該碼頭裝有大量的裝車吊機，負載波動比較大，而諧波量的大小和負載率有著密切聯系。在負載率在一定的范圍內變化時，諧波電流有可能極大，在這種情況下系統的電壓會產生很大畸變。這將會嚴重影響電機的正常運轉，同時還會大大縮短變壓器的使用壽命。此外配電系統中還有皮帶秤和其他負載，皮帶秤是敏感設備，變頻器產生的諧波會通過傳導、感應等方式對皮帶秤控制系統產生諧波污染，進而導致皮帶秤工作抖動，影響計量準確度，同時對設備的壽命、安全運行產生不利的影響,也給港口的經濟效益帶來了影響。

寶山羅涇碼頭變頻供電系統簡圖見圖1。

圖1：變頻供電系統簡圖

寶山羅涇碼頭供電系統中含有大量的變頻器。變頻器是工業調整傳動領域中應用較為廣泛的設備之一。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入的工頻電源經過整流電路變為直流電源，再經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電源。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波。

圖2所示為寶山羅涇碼頭變頻動力系統電壓及電流波形圖，電壓波峰很平畸變較為嚴重。圖5顯示三相電壓畸變率均超過７%，大于國標GB T14549-1993《電能質量　公用電網諧波》中所規定的5%的要求，嚴重的電壓畸變不但會影響設備的壽命，而且可能會釀成事故。

 

  

圖2：電壓及電流波形圖

 

圖3：電壓電流及功率數據

 圖4：電流及其相關數據

 

 

 圖5：電壓及其相關數據

圖2中的電流波形已經基本看不出是正弦波而是較為典型的M波。結合圖4中電流諧波含量數據可分別計算出A相、B相、C相電流值為270A、261.6A、283.6A，同時三相電流的諧波畸變率均超過50%，查閱國標GB T14549-1993《電能質量　公用電網諧波》，本系統的諧波電流均已超過基準短路容量所允許的諧波電流限制。綜合電壓及電流數據，本系統的電能質量很差。

4.2 治理措施及效果

針對碼頭的具體情況，以治理諧波污染為目的。通過有針對性的諧波污染治理，減少甚至消除其對配電系統的不良影響，保證電動機、變壓器、電纜、其他設備的正常運行，提高功率因數，減少無功損耗，延長設備使用壽命，保障可靠供電。

根據寶山羅涇碼頭變頻動力系統負載分配情況，采用集中補償方式進行諧波治理，即分別在兩臺變壓器二次側，也就是在A段和B段母線處安裝1臺100A ANAPF有源濾波器。

治理后諧波情況明顯改善，電壓諧波畸變率由7%下降到2%，電壓波形如圖6所示，波形幾乎是完美的正弦波。治理后電流波形如圖7所示，電流諧波畸變率從50%降低到5%左右，諧波畸變率大大降低。電壓電流諧波質量均已符合GB T14549-1993《電能質量　公用電網諧波》規定標準。治理后減少了對皮帶秤中計量和傳感器等敏感器件的擾動，有效解決了皮帶秤的抖動和計量不準問題。

 

                          圖6：治理后電壓波形                           

 

圖7：治理后電流波形

 

據反饋，自有源濾波器投運至今，裝車吊機運行故障率明顯降低，變頻器故障發生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮帶秤故障由每月1次到不再出現故障。大大提高了裝車吊機運行的穩定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

5 結語

綜上所述，隨著時代的變化，新事物、新產品不斷推陳出新，加之高新技術的不斷應用，隨之而來的是用電環境越來越復雜。本文僅是在諧波污染方面進行了一些淺述，由此可以看出，諧波的治理雖然需要一定的資金投入，但從長期來看，對設備的保護所帶來的經濟效益是十分明顯的，在用電安全方面的改善所帶來的社會效益也是十分顯著的。

【參考文獻】

［1］ 江蘇安科瑞電器桌子產品手冊.2013.01.版

［2］ 查慧勤 《諧波治理的必要性及案例分析》