電力濾波器在客戶中的應用

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在配電網中，電壓和電流的波形應是正常的正弦波，然而隨著現代化生產和電子技術的發展，工礦企業中大量采用的整流換流裝置，冶金機械行業中大量采用電弧爐、軋機、變頻器；化工行業中大量采用整流、電石爐、電焊設備；石化行業采用的機泵變頻調速裝置，其三相橋式可控整流注入大量5次諧波；交通中運輸中的電氣機車、電車、地鐵、軌道交通中大量采用的都是整流裝置，這些電氣設備均屬非線性負荷，其電壓和電流均會發生不同程度的畸變。畸變后的波形中含有高次諧波，其中還包括家用電器在內的由整流和變頻引起的小容量的高次諧波，這些高次諧波產生的諧波電流進入配電網絡，使電網的安全運行受到嚴重影響，使電能質量受到污染。
1 高次諧波對電氣設備的直接危害
  交流電網的電壓畸變會引起常規變流器控制角的觸發脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使整流器工作不穩定；而對逆變器則可能發生連續的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設備。
  三次及其倍數次的高次諧波對星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，其電網中分布電容較大，或安裝了中性點接地的并聯電容時，會形成3次諧波振蕩，使變壓器附加損耗大大增加。對三角形連接的變壓器會使其在繞組中形成環流，使繞組過熱，而且諧波電流使變壓器的銅損和鐵損大大增加。
  高次諧波電流在電動機中產生的集膚效應、磁勢渦流等，隨著頻率增高而使電動機鐵芯和繞組中的附加損耗增大，在電動機啟動時易發生脈動，干擾力矩使電動機產生較大的噪音。由于電動機負荷很大，高次諧波產生的附加損耗在電力負荷中的影響十分顯著。
  測量用儀器儀表均在50Hz的標準正弦波的理想狀態下設計的，當供電電壓或電流中含有高次諧波成分時，就會影響儀器儀表測量的準確性，并影響感應式電能表的正常工作。
  高次諧波在電力線路中流過的幅值較大的低頻諧波電流經過磁場耦合。在相鄰的通信線路中會產生干擾，在諧波和基波的共同作用下，誤觸發鈴聲，干擾通信線路系統的正常工作，影響通信線路的通話。在特定的條件下，還會威脅通信設備和人員的安全。
  高次諧波會嚴重影響電力系統的繼電保護和自動裝置，引起各類保護誤動作，威脅電力系統安全運行。
  高次諧波對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數的電容器的燈光照明會造成諧振過電壓，損壞鎮流器和電容器。高次諧波還會對電視機、計算機的圖形產生畸變，畫面亮度產生波動。使機內元件過熱，計算機數據出錯。
  高次諧波可使電容器介質損耗增加、發熱、壽命縮短，吸收諧波后會導致電容器過電流，使熔絲熔斷，電容器與電網電感形成串聯諧振時，將諧波放大，燒毀電容器。
  交流電網的電壓畸變會引起常規變流器控制角的觸發脈沖間隔不等，并通過正反饋放大系統的電壓畸變，使整流器的工作不穩定；而對逆變器則可能發生連續的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設備。
2 高次諧波的抑制
  高次諧波的抑制，主要是減少或消除注入電網的諧波電流，控制諧波電壓和電流在允許范圍內，抑制諧波電流的主要措施為：改善供電環境、降低諧波源的諧波含量，吸收諧波電流。其中吸收諧波電流是目前使用廣泛，且zui有效的抑制諧波的方法。常用方法如下。
2.1 無源濾波器（FC）
  無源濾波器屬于被動的吸收式濾波，在諧波源比較簡單的系統中，結合功率因數補償，選用高性能的濾波電容器，串聯高線性的濾波電抗器，組合成濾波補償器，在吸收系統中主要的諧波分量時，補償無功功率。
  無源濾波又分為調諧和非調諧的兩種濾波技術，調諧式無源濾波技術主要為濾波，其效率可達70%，但配置的容量很大，投入時會造成電壓波動，且易造成過補償。其計算和配置復雜，存在諧振的危險，無法滿足要求。目前已不使用。
  非調諧式無源濾波技術是抑制諧波進入電容器，避免諧振。其配置簡單，但濾波效果差。
2.2 有源濾波器（APF）
  有源濾波器屬于動態消除濾波，一般用于重要負荷場所，根據用電設備對諧波的敏感程度，為達到*的濾波效果，配置動態有源濾波器。有源濾波器是采用開關元件，通過數字信號處理和脈寬調制技術，根據檢測到的諧波分量，產生一個幅值相等、相位相反的電流，在諧波源處注入系統，使電源的總諧波為零，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，該技術對清除諧波效果大，可濾除97%以上的諧波電流，其濾波特性不受系統阻抗的影響，可清除與系統阻抗發生諧振的危險，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。該技術不存在導致過補償和引起電壓波動的問題，具有自適應功能，可自動跟蹤并補償變化中的諧波。
目前有源濾波器發展方向如下。
2.2.1 控制系統的簡化
  目前有源濾波器控制系統大多為模擬電路，其結構復雜，隨著高速數據處理芯片功能的完善，不久將實現數字化。能更準確的檢測電網的諧波電流，以達到更好的補償效果。
2.2.2 補償裝置的多功能化
  有源濾波器除能補償諧波外，改造其控制回路后，還可補償基波的無功，更好抑制電壓閃變和不平衡電壓。
2.2.3 降低裝置容量
  有源濾波器中zui基本的是并聯型，其容量取決于交流回路電壓有效值與補償電流有效值的乘積。并聯型有源濾波器裝置的容量主要取決于補償電流，因此有源濾波器的造價遠高于無源濾波器。為降低補償裝置的投資，主要應降低有源濾波器的容量。目前是將有源濾波器和無源濾波器組合使用。用無源濾波器濾除諧波源中的主要諧波電流，再利用有源濾波器提高總的補償效果。這就是組合型有源濾波器。
  有源濾波器補償效果好，響應快，且不受阻抗影響，但價格相對較高，如將有源濾波器的*性能與無源濾波器的低成本相結合，即可構成組合型濾波器，通過適當控制可使負荷的諧波電流由有源濾波器提供，負荷的基波無功功率由無源濾波器提供。這樣逆變器的容量可明顯減小，成本大大降低，是理想的消除諧波及補償無功的*方式。
3 客戶消諧的技術和管理措施
  從以上對諧波產生的原因分析，可看到目前大量采用電力電子設備的冶金、化工、機械、軌道交通等行業中存在著高次諧波，嚴重污染和干擾了電力系統，為消除諧波的影響，以上消除諧波的方法，針對不同的客戶，采用適當有效技術手段和到位的管理措施，是*可以做好諧波源治理工作的。
3.1 在客戶工作中應采取的技術手段
  在治理諧波源的過程中，首先應針對諧波源的設備，選擇合理的消諧技術措施。對負荷變化不大、諧波次級超標種類不多的，可采用簡單經濟的無源濾波器，但需要結合負荷工況實現分級投入，以確保在低載時也不會發生諧波超標。 相對于負荷變化較大的，諧波次級超標種類較多的，要求設計采用有源濾波器與無源濾波器組合的使用方式。首先采用結構簡單、成本低的無源濾波器，分擔大部分補償和消諧任務，再利用有源濾波器良好的補償性能，這樣既解決了有源濾波容量大、成本高的問題，又可使系統取得較好的消諧效果。
  優先選用濾波器的在線監測系統，在諧波源客戶中盡可能選用濾波器的在線監測系統，目前在部分客戶中，已使用濾波器的在線監測系統，對諧波電壓、諧波電流具有記錄和報警功能，實時監測諧波電壓、諧波電流，系統能輸入設置各次諧波電流允許值和諧波電壓總畸變值。當諧波電壓、諧波電流超標時，能記錄超標時的各次超標諧波的zui大值、zui小值及平均值，以及記錄超標時間等相關數據。安裝濾波器在線監測系統，使供電部門實時掌握客戶的諧波情況，及時發現系統存在的潛在危害，以便于盡快作出判斷，果斷采取措施，消除隱患。采用濾波器的在線監測系統，還可減少對諧波源客戶的現場測試，提高工作效率，有效地改善電網電能質量，節約能源，提高客戶計量點的功率因數，解決客戶功率因數不合格造成的功率因數調整電費的罰款問題，經濟效益和社會效益顯著。
3.2 加強用電管理
依據國家法律法規和行業技術標準，從管理上嚴格把關，目前在工作中的主要依據有：《中華人民共和國電力法》、《電力供應與使用條例》、《供電營業規則》、《用電檢查管理辦法》、《電能質量——公用電網諧波》、《電能質量——電壓波動和閃變》、《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值》。
  在供電公司受理客戶的業務時，對產生諧波源的重點行業，應了解客戶的生產流程和工藝，對帶有諧波源的用電設備，在供電方案中注明"諧波治理"字樣，在簽署供電方案確認協議的同時簽署諧波治理協議，在設計審圖時，對諧波治理措施審核，在送電前客戶落實諧波治理設備的合同簽署，由工程管理人員進行驗收。
  在供電公司內部建立諧波監督管理體系，將諧波監督管理納入正常的生產管理工作中。有可能的情況下，應建立諧波監督管理機構，負責日常的諧波監督管理，建立諧波源客戶資料檔案，對重點諧波源客戶進行跟蹤測量、分析和有效治理。并組織有關部門發布有關諧波治理的信息和經驗交流，以提高電能質量管理的水平。