工业厂房供电系统谐波分析与治理

工业厂房供电系统谐波分析与治理

李宏鑫

（深圳市盛波光电科技有限公司广东省深圳市518118）

摘要：近年来公用电网的电能质量问题备受关注，人们不断致力于电网电能质量的研究，对公用电网进行无功补偿和谐波抑制，以改善电能质量，净化电网环境。有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）是一种新型电力电子装置，在电力系统中安装和使用有源电力滤波器，可有效抑制电网谐波，并可起到动态补偿无功的作用。基于此，本文主要对工业厂房供电系统谐波治理进行分析探讨。

关键词：工业厂房；供电系统；谐波分析；治理

1、前言

随着现代工业的发展，电力系统中的非线性负荷大量增加，这些非线性负荷从电网吸收非正弦电流，导致电网电压发生畸变，一方面，导致工业电气系统的谐波电流量增加，电能质量下降，干扰电力系统中各种安全自动设备的正常工作，严重影响电力系统的安全运行，并造成电能浪费，降低电网的功率因数；另一方面，污染电力系统，影响各种用电设备的用电效率和寿命。因而，近年来公用电网的电能质量问题备受关注，人们致力于电网电能质量的研究，对公用电网进行无功补偿和谐波抑制，以改善电能质量，净化电网环境。特别是工业生产中高精密仪器对电能质量要求高，谐波治理势在必行。

2、谐波污染

谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦波电流分量。包含整流电路的设备是谐波的主要来源。工业上的谐波源主要有：电力电子装置，包括各种晶闸管可控开关设备、交直流换流装置以及PWM变频器等；中高频感应炉、各种使用可控硅调压电源装置的电加热炉，以及使用高功率直流电源的电弧炉、交流电焊机等。

谐波对供配电系统的变压器、断路器、补偿设备、用电计量和继电保护装置，以及用电设备都会造成很大危害和影响，成为污染电网的公害。谐波的主要危害为：增加了公用电网的附加损耗，使电容器、电缆等设备过热、寿命缩短、绝缘老化以至损坏，降低了发电、输电及用电设备的效率；引起电网中局部的串联谐振和并联谐振；谐波还会导致电能计量出现混乱，大量的高次谐波电流涌入供电系统可能导致中线过热甚至引起火灾。

3、谐波治理措施分析

由于谐波引起的危害在不断扩大，为了减少电力系统中谐波问题，我国于93年发布实施了《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993），对谐波、负序电流注入电网的量做出明确的规定，以保证电网的供电质量。

治理谐波的主要措施通常为两方面，一方面为谐波预防，即通过改进供电设备的设计对谐波的形成进行抑制，对可控硅整流装置通过增加整流器的脉动数来限制整流器的谐波，从供电源头减少谐波的产生；另一方面为谐波治理，可通过改变系统的馈线参数或者安装谐波治理装置进行谐波补偿，目前对于用户配电网络中谐波的治理主要有无源滤波和有源滤波两种方式。

3.1无源电力滤波器

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。

单调谐滤波器仅针对某一特定设计频率，例如3次、5次、7次等，形成对特定次数谐波的低阻抗通道。实际中常用几组针对不同频率的单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波成套装置。LC滤波器中含用一定量的电容，可提供固定容量的无功功率，起到一定的改善功率因数效果。如图1所示，针对可控硅整流电源型谐波源，设置了5、7、11次单调谐滤波支路。由于特定次数的谐波电流值与所流经支路谐波阻抗成反比，谐波源产生的谐波电流中，80～90%流经滤波支路，只用10~20%的谐波电流注入系统，起到很好的谐波滤除效果。为适应谐波变化的情况，也常用可控硅对滤波器组进行动态投切，称为TSF。

图1

3.2有源电力滤波器

近些年，功率器件的控制精度不断提升，人们对电网质量的要求也越来越高，采用无源滤波器不能满足对改善电能质量的要求，因而在电力系统中，越来越多地使用有源电力滤波器抑制谐波，并进行无功补偿。

3.2.1有源电力滤波器基本原理

本文以并联型有源电力滤波器为例来进行研究。图2所示为并联型有源电力滤波器的系统原理图。图中is、us表示公用电网的电流和电压，ic为有源电力滤波器输出的补偿电流，iL为负载电流。HPF（HighPassFilter）为滤除开关纹波电流的高通滤波器。有源电力滤波器系统由指令电流运算部分和补偿电流发生部分组成。其中，指令电流运算部分的主要任务是检测出补偿对象中的无功和谐波电流，将无功和谐波电流提取出来，而电流跟踪控制电路、驱动电路和PWM变流器共同组成补偿电流发生部分。PWM变流器作为系统的主电路，可以作为逆变器，输出补偿电流，又可作为整流器，由电网向直流侧储能元件充电。

图2并联型有源电力滤波器的系统原理

有源电力滤波器的基本工作原理是通过电流互感器（CurrentTransformer，CT）电压互感器（Poten⁃tialTransformer，PT）等检测技术，获取非线性负载的电流信号和系统电压信号，并将获取的信号进行处理，获得需要补偿的无功或谐波电流指令信号，再根据指令信号来控制主电路中的PWM变流器的通断，输出与电网中谐波形状相同、相位相反的无功或谐波补偿电流，从而降低或消除电网中的谐波电流成分，提升电网质量。

3.3无源电力滤波器与有源电力滤波器的优、缺点：

3.3.1、无源滤波的优、缺点：

（1）无源滤波具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点；但是由于滤波器特性受系统参数影响较大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象，因此对于电能质量要求较高的场所或设备多数采用有源滤波器。

3.3.2、有源滤波器的优、缺点：

（1）不仅能补偿各次谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，性价比较合理；

（2）可自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性和快速响应性等特点；

（3）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。可见，有源电力滤波器具有比以往谐波抑制方法更优越的补偿性能，但有源滤波价格昂贵，投资成本高，但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。

4、结语

电能质量涉及国民经济各行各业及人民生活用电，关系到电力的可持续发展，也关系到国民经济总体效益。目前，谐波、电磁干扰、功率因数降低成为电力系统的三大公害，而谐波是影响电能质量的重要因素。因此，谐波治理是改善电能质量的主要内容。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。在实际应用中，应根据不同的用电环境，选择在配电室集中安装或对用电功率较大的谐波源设备就地安装等不同安装方案，并应选择适当的容量，以达到最佳的治理效果。随着电力工业的快速发展及节能降耗的需求迫切，对电网谐波及其治理应给予更多的关注，不断研究解决谐波治理中出现的新问题。

参考文献：

[1]刘俊华，罗隆福，张志文，等．基于模糊集对分析法的电能质量综合评估[J]．电网技术，2012,36（7）：81-85.

[2]黄海宏，杨胜江，王海欣，等．多逆变器并联在ＥＡＳＴ装置中的应用[J]．电子测量与仪器学报，2012,26（9）：818-823.