電網(wǎng)中理想的電壓電流波形是50Hz的正弦波，電壓與電流的相位一致，功率因數(shù)為1。實際電網(wǎng)中的負荷千差萬別，尤其隨著經(jīng)濟發(fā)展，大量非線性負荷增加，特別是電力電子技術(shù)、節(jié)能技術(shù)和控制技術(shù)的進步，在通信、交通、汽車工業(yè)、工程機械、冶金鋼鐵、煤礦、石油石化等部門大量使用各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、電力電子調(diào)壓設(shè)備、電熔煉設(shè)備、電化學設(shè)備、礦井起重設(shè)備、露天采掘設(shè)備、電氣機車等與日俱增，這些非線性負載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波污染會對電網(wǎng)和用戶帶來越來越多的干擾和影響，影響用電設(shè)備安全，增加電能損耗。

1諧波的定義與危害

根據(jù)國標《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)GB/T14549-93》的定義：“諧波(分量)為對周期性交流分量進行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。”也就是說諧波是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。

諧波研究的意義在于諧波會嚴重影響用電設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全、可靠與經(jīng)濟運行。供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①誘發(fā)電網(wǎng)諧振，導致諧波過電壓和過電流，引起嚴重事故，損壞電容器補償?shù)入姎庠O(shè)備。②導致異步電機和變壓器產(chǎn)生附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動和諧波過電壓，降低效率和利用率，縮短使用壽命。③諧波電流頻率增高會引起電力電纜和配電線的集膚效應，導線電阻變大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成火災隱患。④對通信、電子或自動控制設(shè)備產(chǎn)生嚴重干擾。⑤諧波電流使斷路器遮斷能力降低，導致斷路器、接觸器等不能安全穩(wěn)定工作。⑥致使電力保護裝置誤動或拒動，導到處區(qū)域性停電事故。⑦使電力系統(tǒng)各種測量儀表誤差變大，甚至無法工作。⑧干擾或影響各類低壓電器的正常使用。

2工業(yè)廠房諧波源

工業(yè)廠房所常用的非線性用電設(shè)備主要有四大類。

（1）電弧加熱設(shè)備，如電弧爐、電焊機等電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。

（2）交流整流的直流用電設(shè)備，如電解、電鍍等交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因時由于整流設(shè)備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提髙，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流,在整流設(shè)備中應用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低°

（3）交流整流再逆變用電設(shè)備，如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應引起足夠關(guān)注。

（4）開關(guān)電源設(shè)備？如中頻爐、電子整流器等開關(guān)電源設(shè)備目前應用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應出電流，供給用電設(shè)備。

3諧波治理措施分析

由于諧波引起的危害在不斷擴大，為了減少電力系統(tǒng)中諧波問題,我國于93年發(fā)布實施了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993),對諧波、負序電流注入電網(wǎng)的量做出明確的規(guī)定，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。目前主要從兩個方面對諧波進行治理。

一方面是提高供電電壓等級，以提高與電網(wǎng)公共連接點的短路容量，使諧波對電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi),但這并不是通過消除諧波本身對電網(wǎng)的不利量值來解決電網(wǎng)的影響，而是把這些量值送到更高電壓等級的電網(wǎng)去擴散，以降低對電網(wǎng)的影響。

另一方面是從諧波源著手，在根本上消除大部分諧波量值，以使其對電網(wǎng)的干擾降至*低。通常采用無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF兩種諧波抑制裝置。就目前情況來說，這種方法的使用效果更加明顯，使用前景更加理想。

無源LC濾波裝置無源LC濾波裝置是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，其基本原理是利用電路諧振的特點，形成某次或某些諧波的低阻抗通道，將大部分諧波電流分流，分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等幾種。單調(diào)諧濾波器僅針對某一特定設(shè)計頻率，例如3次、5次、7次等'形成對特定次數(shù)諧波的低阻抗通道。實際中常用幾組針對不同頻率的單調(diào)諧濾波器和一組二階高通濾波器組成濾波成套裝置。LC濾波器中含用一定量的電容，可提供固定容量的無功功率，起到一定的改善功率因數(shù)效果。如圖1所示，針對可控硅整流電源型諧波源，設(shè)置了5.7.11次單調(diào)諧濾波支路。由于特定次數(shù)的諧波電流值與所流經(jīng)支路諧波阻抗成反比，諧波源產(chǎn)生的諧波電流中,80-90%流經(jīng)濾波支路，只用10-20%的諧波電流注入系統(tǒng),起到很好的諧波濾除效果。為適應諧波變化的情況，也常用可控硅對濾波器組進行動態(tài)投切，稱為TSFO

無源濾波具有投資少，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠及維護方便等優(yōu)點。但無源濾波也存在諸多缺點如受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，只能消除特性的幾次諧波，濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)，有效材料消耗多、體積大等。

圖1

有源濾波裝置有源濾波器(ActivePowerFilter，縮寫為APF）oAPF的工作原理是并聯(lián)接入電力系統(tǒng)，通過實時檢測負載電流波形，得到需要補償?shù)闹C波電流成分,并將其反向，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng)，實現(xiàn)濾除（抵消）諧波功能。另外，還可提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)功率吸數(shù)、實現(xiàn)動態(tài)無功補償。APF相當于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)。如圖2所示。

與無源濾波器相比,APF有以下特點：

①不僅能補償各次諧波,還可抑制閃變,補償無功,有一機多能的特點，在性價比上較為合理;②濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；③具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。同時APF也存在造價高、運行損耗大、容量受到限制等缺點。

4濾波器裝置在工程中的合理應用

工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)通常為混合型配電系統(tǒng)。在設(shè)計工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)時應對各設(shè)備進行分類，做到同類別設(shè)備由同一配電干線供電，甚至由專用變壓器供電。對不同設(shè)備所產(chǎn)生的諧波進行針對性治理，使其發(fā)揮*大的作用,減小不同設(shè)備的互相干擾。工業(yè)廠房配電系統(tǒng)的諧波治理方式可分為總補償方式、部分補償方式和局部補償方式。如圖3所示

（1）總補償方式當配電系統(tǒng)的非線性負載位置分散且單臺容量較小時,宜采用集中補償方案。如輕工業(yè)園區(qū)，各工廠規(guī)模較小，設(shè)備較少，往往整個工廠的變壓器安裝容量不到lOOOkVA,在低壓電源總進線處安裝APF,就能有效地消除諧波。

（2）部分補償方式當配電系統(tǒng)的非線性負載集中在某幾條支路時，宜采用部分補償方案。如工程機械聯(lián)合生產(chǎn)車間的焊接區(qū)與涂裝區(qū)，設(shè)備均集中在某一區(qū)域，一般采用單獨的母線供電，可在母線的供電端安裝相對應的無源濾波器，這樣即能有效的抑制諧波又節(jié)省投資。

（3）局部補償方式當配電系統(tǒng)的非線性負載集中，單臺容量較大時，宜采用局部補償方案。如鋼鐵行業(yè)的電弧爐、水泥行業(yè)的懶燒用大型轉(zhuǎn)窯等，這類設(shè)備對其他設(shè)備的干擾很大，應就地安裝APF進行消諧。

5電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

5.1概述

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)主要研究供配電系統(tǒng)中的無功補償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補償、諧波及綜合治理等，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計解決方案，以達到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的目的。

5.2典型行業(yè)

①商業(yè)中心/辦公大樓/醫(yī)療/機場/體育館：空調(diào)、電梯、LED屏幕、可控硅調(diào)光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器、整流器等；

④學校/研究院：實驗室、機房設(shè)備、數(shù)據(jù)中心；

⑤工廠：使用大型設(shè)備的生產(chǎn)線，高精度數(shù)控中心等；

⑥通信/金融/醫(yī)療/商業(yè)中心：UPS、開關(guān)電源等。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)由低壓側(cè)電能治理產(chǎn)品組成，主要產(chǎn)品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發(fā)生器、ANSNP中線安防保護器、ANHPD諧波保護器、ANSVC低壓無功功率補償裝置、ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置、ANSVG-S-A混合動態(tài)消諧補償裝置、ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償

6 產(chǎn)品選型

6.1諧波治理產(chǎn)品選型

7產(chǎn)品功能

7.1 ANAPF有源電力濾波器

APF模塊

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)上，負載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中，通過實時檢測電路將負載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經(jīng)控制系統(tǒng)快速運算，采用PWM控制IGBT的觸發(fā)。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統(tǒng)注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波。

7.2 ANSNP中線安防保護器

互感器

ANSNP壁掛模塊

ANSNP中線安防保護器通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

7.3 ANSVG靜止無功發(fā)生器

觸摸屏

互感器

ANSVG模塊

ANSVG靜止無功發(fā)生器是一種用于補償無功以及不平衡的新型電力電子裝置，它能對大小變化的無功以及負序進行快速和連續(xù)的補償，其應用可克服LC補償器等傳統(tǒng)的無功補償器響應速度慢、補償效果不能控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點。

7.4 ANSVC低壓無功功率補償裝置

（1）分立元件方案

ANBSMJ電容

ANCKSG電抗

AFK復合開關(guān)

ARC控制器

ANSVC低壓無功功率補償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4kV電網(wǎng)的無功功率自動補償；它集無功補償、電網(wǎng)監(jiān)測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù)，降低線損，從而提高電網(wǎng)的負載能力和供電質(zhì)量；同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）智能電容方案

AZCL智能電容

ARC28F控制器

AZC系列智能電力電容補償裝置是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備。AZC由智能測控單元，投切開關(guān)，線路保護單元，低壓電力電容器等構(gòu)成，AZCL在AZC的基礎(chǔ)上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環(huán)境。改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點。

7.5 ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置

觸摸屏

互感器

ANSVG-G-A模塊

ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置在補償無功的同時可兼治理系統(tǒng)的諧波，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量，通過控制計算及邏輯變化，計算出系統(tǒng)所需的無功分量及諧波分量，然后通過三相全橋換流電路實時產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的無功與諧波電流注入到配電系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能補償，兼諧波治理。

7.6ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-A模塊

ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置應用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟性和APF濾波的性等特點為基礎(chǔ)，將兩者技術(shù)相結(jié)合，提高傳統(tǒng)無功補償技術(shù)，在降低成本的同時，實現(xiàn)諧波治理與無功補償。

7.7ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-G模塊

ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置是一種用于補償無功，提高功率因數(shù)，實現(xiàn)補償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統(tǒng)主動根據(jù)系統(tǒng)的線性動態(tài)需求，自動調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。

8 應用案例

8.1概述

某工廠負載為空壓機、注塑機一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源，客戶要求針對諧波電流進行治理，改造前/后實測數(shù)據(jù)如下：

治理前數(shù)據(jù)截圖

治理后數(shù)據(jù)截圖

現(xiàn)場安裝圖

8.2測量前/后數(shù)據(jù)統(tǒng)計

8.3測量前/后數(shù)據(jù)分析

從治理前后的測量數(shù)據(jù)電流波形對比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑，更加趨近于正弦波形。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，諧波電流主要以5、7、11次為主，治理前的5、7、11次諧波電流均超出國標限值（5次62A、7次44A、11次28A），經(jīng)過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下，滿足國標對于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%，滿足國標限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標符合國家標準，諧波治理效果明顯。

9典型業(yè)績

10結(jié)語

當前工業(yè)生產(chǎn)的主要動力能源依然是電能，絕大多數(shù)工廠都是從國家電力系統(tǒng)取得電能的。隨著我國工業(yè)化進程的高速發(fā)展，對電能的需求將越來越大，而用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波也將越來越大。

參考文獻：

[1]胡銘，陳衍.有源濾波技術(shù)及其應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2000.

[2]諸俊偉.電力系統(tǒng)分析[M].北京：水利電力出版社,1995.

[3]王兆安,楊君,劉進軍.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社,1998.

[4]吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京沖國電力出版社,1998.

[5]電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波GRT14549-1993[J1].

[6]陳祥金.工業(yè)廠房供電系統(tǒng)諧波分析與治理

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊2022.05版.