簡(jiǎn)婷

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

三次諧波的概念及不良影響

       對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，可得到頻率為基波整數(shù)倍的電量，這些電分量被統(tǒng)稱為諧波。其中，頻率為基波三倍的電量被稱為三次諧波。在社會(huì)的高速發(fā)展下，民眾與社會(huì)對(duì)于電能的需求量與日俱增，對(duì)電能質(zhì)量的要求也日漸提高。隨著種類豐富的電子設(shè)備在民眾生活中的廣泛普及，其中具有非線性負(fù)荷特性的電子設(shè)備也使電力系統(tǒng)中的電壓、電流狀態(tài)出現(xiàn)了一些改變。在利用傅里葉級(jí)數(shù)分解分析電壓、電流波形時(shí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn) 50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波，即頻率50Hz的三倍的“三次諧波"。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非線性負(fù)載的數(shù)量占比越來越多，其在工作時(shí)三次諧波占比較大。這種不良現(xiàn)象除了會(huì)增加整體電力系統(tǒng)的耗損，更會(huì)致使中性線線負(fù)載變大，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)整體的安全性以及穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)一系列的安全事故。另外三次諧波使電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)熱的狀況，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故；對(duì)電子元器件日常的使用和運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，致使其產(chǎn)生錯(cuò)誤操作；嚴(yán)重縮短電力設(shè)施使用壽命。三次諧波不僅僅會(huì)產(chǎn)生諸多危害，更會(huì)對(duì)電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性以及安全性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，進(jìn)而影響民眾的日常生產(chǎn)、生活有關(guān)活動(dòng)、行為以及社會(huì)的和諧發(fā)展。所以，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采取合理措施，減少乃至避免三次諧波的危害。

1、諧波治理整體解決方案

（1）有源電力濾波器的工作原理

       有源電力濾波器的工作原理如圖1所示，主要由負(fù)載電流分離、指令電流調(diào)節(jié)、輸出電流控制、驅(qū)動(dòng)電路以及主電路組成。它采用電流型變流器，經(jīng)連接電抗器接入系統(tǒng)，通過調(diào)整交流側(cè)逆變輸出電壓的瞬時(shí)幅值與相位，或直接控制交流側(cè)輸出電流，使裝置發(fā)出或吸收寬頻譜無功功率?；陔娏﹄娮拥挠性措娏V波器裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控的無功及諧波電流源，其無功及諧波電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功及諧波，并且可以實(shí)現(xiàn)從感性無功到容性無功的全范圍補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

（2）有源電力濾波器的工作原理

       有源電力濾波器采用模塊化插拔式設(shè)計(jì)，集三相不平衡治理、諧波抑制和無功補(bǔ)償功能為一體，方便運(yùn)維人員安裝拆卸，同時(shí)也方便將來用電負(fù)荷發(fā)生變化擴(kuò)展補(bǔ)償容量。

       該有源濾波裝置主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

       1）補(bǔ)償方式靈活：既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對(duì)2-51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)可治理三相不平衡問題；

       2）線性補(bǔ)償，全響應(yīng)時(shí)間≤5ms；

       3）具有人性化的人機(jī)交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量信息，操作簡(jiǎn)單，可以遠(yuǎn)控，也可以本控；

       4）采用DSP高速檢測(cè)和運(yùn)算的數(shù)字控制系統(tǒng)和進(jìn)口IGBT，功率密度大，可靠性高；

       5）監(jiān)控以及顯示具備遠(yuǎn)程通訊接口，可以通過PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控；

       6）標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，縮短交付周期，同時(shí)提高了使用的可靠性和可維護(hù)性。

       有源電力濾波器可采用壁掛和整柜方式安裝，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)集中和就地治理，如圖2所示的產(chǎn)品，給安裝、 維護(hù)及日后升級(jí)帶來了便捷，提高了整體的安裝效率。

圖2 有源電力濾波器產(chǎn)品示意圖

2、案例分析

（1）項(xiàng)目背景

       廣東某地鐵改造項(xiàng)目，系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明、空調(diào)、泵機(jī)類、電梯、信號(hào)電源、UPS等設(shè)備，開關(guān)電源的啟動(dòng)瞬間形成電流沖擊，和其它設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。其諧波主要包括3、5、7、9次；不進(jìn)行合理治理，將對(duì)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；大量諧波造成變壓器局部嚴(yán)重過熱；繼電保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作等。

（2）治理方案

       根據(jù)以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生，該項(xiàng)目有1#、2#兩個(gè)配電站，1#配電站有2臺(tái)800kVA的變壓器，2#配電站有2臺(tái)1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺(tái)變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進(jìn)行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號(hào)均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺(tái)型號(hào)為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機(jī)使用，保障了整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）治理效果

圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率

圖4 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率

       治理前電流波形發(fā)生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到抑制，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

（4）安裝現(xiàn)場(chǎng)

3、結(jié)論

       本文主要地鐵負(fù)載電能質(zhì)量治理方案的相關(guān)內(nèi)容，通過對(duì)地鐵電能質(zhì)量方面出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并結(jié)合電能質(zhì)量相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)的治理方案。后結(jié)合廣東某地鐵電能質(zhì)量改造項(xiàng)目案例，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用證明了濾波器設(shè)備的實(shí)用性，驗(yàn)證了有源濾波器設(shè)備可快速地治理無功及諧波電流，并且解決地鐵用電負(fù)荷增長(zhǎng)帶來的電能質(zhì)量惡化問題，對(duì)地鐵電子設(shè)備、儀器儀表的計(jì)量和整體供電能力、安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張美.地鐵低壓諧波測(cè)試及有源濾波器應(yīng)用分析[M]. 機(jī)械化工2019年5月.

[2]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6

[3]安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理選型手冊(cè).2019.11版

作者簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)婷，女，本科，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橛性措娏V波器、靜止無功發(fā)生器、中線安防保護(hù)器和混合動(dòng)態(tài)濾波無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用與技術(shù)對(duì)接。