有源滤波在企业供电谐波治理中的应用分析

有源滤波在企业供电谐波治理中的应用分析

晏伟

（威胜电气有限公司湖南湘潭411100）

摘要：供电的波幅、波形畸变以及频率等因素都会直接影响到电网质量，其中，发电厂控制供电的波幅和频率，而用电设备和负载则会对电流和电压波形的畸变产生影响。在企业生产的过程中，使用的多为非线性负载，例如变频调速设备、整流器以及不间断电源等，这些负载的电流波形与电网的正弦电压波形不一致，因此就会产生畸变。由此可见，供电谐波会对供电质量产生不利影响，本文就针对应用有源滤波设备治理企业供电谐波的技术进行分析和探讨。

关键词：有源滤波；企业供电；谐波治理；应用

1谐波的概念

在理想的供电系统中，电流和电压都是正弦波。在线性负载上加上正弦波电压时，电流也是同频率的正弦波，但是在非线性负载上施加正弦波电压时将偏离正弦波形，引起谐波。谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，通常是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波产生的原因主要是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器和逆变器等。

2分析谐波的危害

随着电力技术和控制技术的发展和应用，不管是家用电器还是办公自动化或是工业控制设备，都在使用电子整流、高频电路等非线性元件。这些非线性元件的引入产生了各种高次谐波，直接侵入电网，使电网正弦波发生畸变，所造成的不良影响和危害也越来越大。所以谐波问题正逐步被重视。谐波对供电系统的主要危害具体如下：第一，谐波会导致公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，会对发电、输电和用电设备的工作效率产生不利的影响，而且中性线上的三次谐波还会导致线路过热，严重时会引发火灾；第二，谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，放大谐波会导致继电保护装置和自动装置出现误动作，影响电器测量仪表计量的准确性；第三，谐波会对线路中各种电器设备的正常工作产生影响，引起电机的附加损耗，使其产生机械振动、噪声和过电现象，导致变压器局部过热。而且谐波还会使电容器、电缆等设备出现过热、绝缘老化等现象，缩短其使用寿命；第四，谐波还会干扰附近的通讯系统，轻则产生噪声影响通讯质量，严重时还可能会使通讯数据丢失，影响通讯系统的正常工作。

3有源滤波谐波治理的关键技术演技

有源电力滤波器的基本原理如图1所示，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流（其中，iL为负载电流；iLf为基波电流；iLh为谐波电流；iC为补偿电流；iS为电源电流）。

图2三相四线制并联型有源滤波装置的系统结构图

有源滤波装置（SAFA）采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并且以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。有源滤波装置系统结构图如图2所示。

4选择有源滤波器的连接方式

4.1串联方式

缺少灵活性，有较大的损耗；会像无源滤波一样容易过载；有源滤波器存在质量问题会影响整条线路的供电，降低供电可靠性。

4.2并联方式

灵活性好，容易连接到配电系统的任意位置，实现局部补偿，部分补偿或总补偿；扩容性好，非线性负载增大时，可直接并联扩容，简单方便；安全性好，可保证对负荷的连续安全供电。

5有源电力滤波器的优点

与无源滤波器相比，有源电力滤波器有以下优点：第一，使用灵活，能滤除开关器件开关频率以内的各次谐波，还能使用指定次数谐波滤除技术，灵活地进行谐波补偿；第二，实现动态补偿，响应速度快，可补偿频率和幅值都变化的谐波，滤波效果不会受到电网频率和阻抗的影响；第三，不存在过载现象，当电网谐波电流过大时，能在其额定容量内工作。所以与其他谐波抑制方法相比，有源电力滤波器具有更优越的补偿性能，随着技术的进步及成本的下降，有源电力滤波器将具有良好的发展前景。

6分析企业供电谐波的改造效益

某企业对轧钢生产线传统系统进行改造，其改造效益体现在以下几方面：第一，交流电源供电质量得到大幅改善，电网和电气设备受到的冲击也大大减少；第二，有源滤波设备具有高度可控性和快速响应性的特点，可以实现各次谐波的有效补偿，而且具备抑制闪变、补偿无功和节能降耗的特点。该企业中设置PQFM滤波器滤除3次、5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波，滤波器的滤波效率大于95%；第三，有源滤波节能设备不仅可以解决谐波问题，而且还具备动态调整功率因素的功能，将负载的总电流控制在最低范围内，多余做功被消除，至少可节省5%的电能。对谐波污染的治理不仅可以满足电力部门的相关要求，而且企业内部各个配电室中无功补偿控制柜内的电容、交流接触器、断路器等电气元件、其他配电柜的电气元件等均可在一定程度上得到保护，至少可延长1.5倍的使用寿命，同时还能降低日常设备维护成本。针对配电系统，采用有源滤波装置进行谐波治理，其效果可以满足国家标准THD≤5%的水平。

7结语

总之，电能质量涉及国民经济各行各业及电力的可持续发展，而谐波是影响电能质量的重要因素。所以研究有源滤波器在谐波治理改善电网质量方面，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]肖湘宁.电力系统谐波及其综合治理[J].中国电力，2009（2）.

[2]唐杰，滕本科，周稳波，等.并联型有源电力滤波器补偿电流检测方法及仿真[J].仪表技术，208（12）

[3]肖健华.电力系统谐波动态抑制技术的发展与展望[J].五邑大学学报（自然科学版），2010（1）.

[4]王兆安.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，2010，2（1）.

[5]王兆安，杨君，刘近军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2008

作者简介：

晏伟（1989.5.25）性别：男；籍贯：湖南益阳；民族：汉族；学历：本科；职务：电气工程师；研究方向：高低压成套电气设计；单位：威胜电气有限公司。