王海芹
（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）
摘要：隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用，但非線性電力裝置設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。煙草工業在生產制造過程中，使用大量的變頻器進行調速，變頻器所產生的諧波，對廠區配電室的供電網造成了一定的影響。本文通過分析諧波的危害，并提出采用有源電力濾波器進行某卷煙廠諧波治理的方案。
關鍵詞： 諧波；污染；有源電力濾波器；治理；卷煙廠
1、諧波的危害
變頻器工作時會產生大量的諧波電流，諧波電流在電網阻抗上產生壓降，會使電壓波形也變成非正弦。這樣，連接在同一點的其他設備上就會被施加了含有諧波成分的非正弦電壓，致使一些敏感設備無法正常工作。諧波對企業的危害主要表現在以下幾個方面：
（1）使電力元件附加損耗加大，易引發火災
諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。
（2）影響電氣設備的正常運行
諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴重過熱；使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。
（3）引起電網諧振
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。
（4）使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
諧波會導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。
（5）使工控系統崩潰
臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲、降低通信質量、計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。
諧波所產生的危害如此之嚴重，世界各都對諧波問題予以充分關注。上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少和學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。標GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值和諧波電流允許值分別見表1-1和表1-2：
表1-1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值
| 電網標稱電壓（kV） | 電壓總諧波畸變率（%） | 各次諧波電壓含有率（%） | |
| 奇 次 | 偶 次 | ||
| 0.38 | 5.0 | 4.0 | 2.0 |
| 6 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
| 10 | |||
| 35 | 3.0 | 2.4 | 1.2 |
| 66 | |||
| 110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
表1-2 注入公共連接點的諧波電流允許值
| 標稱電 | 基準短路 容量（MV.A） | 諧波次數及諧波電流允許值（A） | |||||||||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | ||
| 0.38 | 10 | 78 | 62 | 39 | 62 | 26 | 44 | 19 | 21 | 16 | 28 | 13 | 24 |
| 10 | 100 | 26 | 20 | 13 | 20 | 8.5 | 15 | 6.4 | 6.8 | 5.1 | 9.3 | 4.3 | 7.9 |
|
| 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | |
| 0.38 | 10 | 11 | 12 | 9.7 | 18 | 8.6 | 16 | 7.8 | 8.9 | 7.1 | 14 | 6.5 | 12 |
| 10 | 100 | 3.7 | 4.1 | 3.2 | 6 | 2.8 | 5.4 | 2.6 | 2.9 | 2.3 | 4.5 | 2.1 | 4.1 |
2、諧波的治理
傳統的LC無源調諧濾波器的方法可以降低諧波電流，又可以補償無功功率，而且結構簡單，故一直被廣泛使用，但這種方法的大缺點就是其性能要受電網阻抗和運行狀態的影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波電壓放大，如果保護措施不得力，甚至使LC濾波器過載或燒毀。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是“用戶電力技術”中一種非常重要的裝置，它能抑制電流諧波及閃變等，用以補償負荷電流中的諧波和無功，使電源側電流保持為正弦波，從而防止諧波對電網的污染和提高功率因數。這種補償器主要用在對非線性負荷所產生的諧波源進行治理。
安科瑞電氣股份有限公司開發的ANAPF系列有源電力濾波器，采用實時的檢測方法，得到電網電壓或電流中的波動、不對稱、諧波等畸變分量，利用快速的電力電子功率器件（IGBT）產生與其相反的波形，再將其抵消掉。原理如圖2-1所示：
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圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖
3、有源濾波案例
某卷煙廠動能車間卷接配電室，配置兩臺2000KVA的干式變壓器，由于其負卷包車間使用了大量變頻器，曾引起電抗器損壞、低壓開關燒毀，我們使用FLUKE434電能質量分析儀對其中一臺變壓器負載進行測量，測試點位于電容補償后負載前的母排，測量發現變壓器副邊側5次電流諧波達到148A，7次諧波電流達到4，從波形上明顯看到畸變嚴重。總電流為746A，畸變率為22.2%，總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。
治理方案：在變壓器副邊側并聯接入200A有源電力濾波器對其諧波進行集中治理，使系統正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。
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圖3-1 ANAPF集中治理方案圖
安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術參數見表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術參數
| 接線方式 | 三相三線或三相四線 | |||
| 接入電壓 | 3×380V ±10% | |||
| 接入頻率 | 50Hz ±2% | |||
| 全響應時間 | ＜20ms | |||
| 開關頻率 | 10kHz | |||
| 功能設置 | 只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功 | |||
| 諧波補償次數 | 2-31次 | |||
| 保護類型 | 直流過壓、IGBT過流、裝置過溫 | |||
| 冷卻方式 | 強制風冷 | |||
| 噪音 | ＜ 65dB | |||
| 工作環境溫度 | -10℃～+45℃ | |||
| 工作環境濕度 | ＜85%RH 不凝結 | |||
| 安裝場合 | 室內安裝 | |||
| 海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） | |||
| 進出線方式 | 下進下出（根據客戶要求） | |||
| 防護等級 | IP20 | |||
| 智能通信接口 | 外加模塊 | |||
| 安裝方式 | 立柜式 | 壁掛式 | 抽屜式 | |
| 補償電流大小（A） | 50/75/100/150/200/250/300 | 50/75/100 | 50/75 | 50/75 |
| 外形尺寸(mm) (W×D×H) | 800×800×2200 800×1000×2200 1000×1000×2200 （其他尺寸可定制） | 600×600×1800 （其他尺寸可定制） | 580×305×600 （其他尺寸可定制） | 540×570×240 （其他尺寸可定制） |
表3-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單
| 型號：ANAPF200-380/B | ||
| 參考價格：36萬元/臺 | ||
| 主要產品清單 | ||
| 序號 | 名 稱 | 數量 |
| 1 | APF柜體 | 1 |
| 2 | APFCOV-200-G變流器 | 1 |
| 3 | APFCOV-200控制器 | 1 |
| 4 | APFRE-200-Y電抗器 | 1 |
| 5 | 電流互感器 | 3 |
| 6 | 濾波器 | 2 |
| 7 | 風機 | 2 |
| 8 | 接觸器 | 2 |
| 9 | 塑殼斷路器 | 1 |
| 10 | 變壓器 | 1 |
| 11 | 彩色觸摸顯示屏 | 1 |
注：以上技術參數或器件名稱、數量如有更改，恕不另行通知。
4 諧波治理效果
安裝200A有源電力濾波器后，電流畸變率得到大幅度下降，電流波形圖由投入前的不規則變為投入后的接近正弦波。治理前后波形如圖4-1所示。同時功率因數得到提高，減少了線路的功率損失，提高了電網輸電效率，可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支。
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圖4-1 治理前后波形對比
5、諧波治理經濟效益
配電系統中無功主要靠無功柜補償，但是諧波對無功柜內電容的損害非常嚴重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環境溫度和電容器投切次數密切相關。根據電容器廠商EPCOS的測試數據，電容器運行壽命可以用以下公式表示：
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其中LE為電容實際運行壽命；LEn是電容器期望壽命；Xv是電壓系數；Xt是溫度系數；Xs是投切系數。系數關系表如表5-1：
表5-1 電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數關系
| LE=LEn*Xv*Xt*Xs | ||||||
| LE=LEn*Xv | LE=LEn*Xt | LE=LEn*Xs | ||||
| Uc=1.10Un | Xv=0.50 | Tav=42℃ | Xt=0.5 | 5000/a | damping | Xs=1 |
| Uc=1.05Un | Xv=0.70 | Tav=35℃ | Xt=1.0 | 10000/a | damping | Xs=0.7 |
| Uc=1.00Un | Xv=1.00 | Tav=28℃ | Xt=1.2 | 5000/a | no damping | Xs=0.4 |
| Uc=0.95Un | Xv=1.25 |
|
| 10000/a | no damping | Xs=0.2 |
| Uc=0.90Un | Xv=1.50 |
|
| Thyrister Switches | Xs=1 | |
以EPCOS電容器為例，正常工作電壓400V，工作溫度35℃，每年投有阻尼切次數不大于5000次，那么該電容器的使用壽命即為正常壽命。
在諧波環境下工作的電容，由于電容對諧波呈低阻抗特性，所以先溫度會大大上升，溫度Xt將變小；由于有諧波會產生壓降，為提高功率因數，電容電壓大于線電壓，這導致電壓系數Xv也變小；另外高溫會導致電容容值下降，為保證功率因數，電容投切次數必然上升，切投系數Xs同時減小。因此根據上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在諧波環境下工作的電容壽命為正常環境下電容壽命的十分！
由于諧波環境下電容器更容易損壞，頻繁的更換電容直接導致硬件成本的上升；另外電容柜是供電系統中提供無功大的電器柜，電容出現故障必然會導致功率因數下降，繼而會因功率因數低而被罰款。以電容正常壽命5年計算，在諧波環境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠每臺變壓器配有無功ABB電容器，單個25Kvar，共800kvar。ABB電容器價格在2000元左右，在與該卷煙廠現場工作人員交流中了解到，平均每月都會更換一個電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經濟損失。由于諧波影響，電容壽命為正常壽命的十分，也即更換頻率為正常的10倍！這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產生的直接經濟損失十分巨大。
6 結束語
近年來，變頻器因其驅動電機系統節能明顯、調節方便等點被廣泛應用于大量工廠，但同時因其非線性工作方式產生的高次諧波也給電網系統帶來了一定的影響，其危害已不可忽視。對于電能質量要求越來越嚴格的今天，并聯型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業諧波治理的方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網中的諧波污染，極大電網的電能質量，良好滿足設備的運行要求和標準。
參考文獻
[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質量 公用電網諧波[S].北京：標準出版社，1994.
[2]王萍.諧波治理在卷煙行業變配電中的應用.
[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.
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