谐波治理措施及谐波电流计算的经验公式
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摘要：文章通过分析谐波产生的原因，引出了适用于火电发电厂消除谐波危害的有效措施，即有源电力滤波器（APF），并且提出了计算谐波电流的经验公式，使得APF的选择更加合理，从而更有效地减小谐波的危害。
Abstract： This article leads to effective measure for eliminating harm of harmonics from thermal power plant which is active power filter （APF） by analyzing how harmonics are produced. And， this article provides emprical formula which makes choice for APF more reasonable， accordingly reduces harm of harmonics.
关键词：谐波；有源电力滤波器（APF）；谐波电流
Key words： harmonics；active power filter （APF）；harmonic current
中图分类号：TH132.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0026-02
0 引言
谐波是现代电子的副产品，当大量个人计算机（单相负荷）、UPS、变频设备或能够将交流转换成直流的电子设备使用时，就产生了大量谐波。随着现代科学技术的不断发展，和国家节能减排工作的深入推进，火力发电厂的厂用电设备越来越多的用到变频装置，且单机容量较大，这类非线性负载会产生大量谐波电流，并进入厂用电系统，对系统内各种用电设备包括变压器、电动机、电缆等均会造成不同程度的危害，因此消除或抑制谐波危害就显得十分必要。
1 谐波的定义、产生的机理及危害
1.1 谐波的定义 谐波是具有50Hz整数倍频率的周波的组成部分，其频率是基波频率的倍数。特性谐波由电路中整流器的数量决定，有以下公式：
H=（n×p）±1
其中：n整数（1、2、3、4）；p 整流器或脉冲数量。
1.2 谐波产生的机理 “线性”和“非线性”定义了电流与电压波形之间的关系。线性负荷具有连续的电流，电压、电流之间具有线性关系。非线性负荷具有非连续的电流，因此与电压波形是不对应的。
非线性负荷产生谐波（在电流曲线上产生突然短脉冲），而不是平滑的正弦曲线（见图1）。
更进一步的说，正是应用了前端整流器设计，才导致所有的变频设备产生谐波。图2示例了一个典型的6脉冲整流器。
变频设备产生的谐波，其程度和幅值是由其本身设计以及非线性负荷与所联配电系统阻抗的关系决定的。设备之前的电源线路阻抗决定了反馈到配电系统的谐波电流、电压的幅值和振幅。图3说明了这种关系。
此外，通过配电阻抗反馈的畸变电流引起了电压降或谐波电压畸变，其关系与配电系统的故障电流、阻抗是成比例的。
1.3 谐波的危害 电压过高或谐波畸变能够导致配电系统及其供电的设备出现各种问题，诸如电容器寿命减少、断路器误跳闸、变压器损耗增加等。
按照谐波产生及危害的领域，可分为主母线侧谐波和终端用户侧谐波。
主母线侧谐波的主要影响范围是电力变压器、配电主设备等。终端用户侧谐波的主要影响范围是计算机、节能灯、控制及精密测量容量小。针对火电发电厂，本文主要介绍主母线侧谐波的治理措施。
在火电发电厂中，当变压器带有较多变频装置时，比如空冷变压器带有风机变频，变压器主母线侧就存在谐波，谐波次数在2～40，谐波频率在100Hz～2kHz。此时谐波能量大，对设备有明显物理损伤，谐波源较为单一，衰减较快时不干扰控制设备。为了消除主母线侧谐波，采用有源电力滤波器（APF）是目前相当有效的方法。
将APF以并联的方式接入电网，实时监测电网中由非线性负荷产生的电流波形，滤除其中的基波部分，并将剩余的部分反相，再通过IGBT变换器将反相电流注入到电网中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。
某型APF产品的工作原理如图4所示。
关于APF的详细内容可参见文献1，本文不再赘述。
为了更好地消除、抑制谐波，那么合理地选择APF就变得很重要，而谐波电流则是进行合理选择的必要条件。
3 谐波电流的计算
由于谐波电流计算涉及到诸多因素，尤其是在实际发生的现场更为复杂，很多设备即使谐波源，同时也是吸收谐波的消谐装置。在这种情况下，收集到完整的电气设备谐波数据是很困难的，在此提出谐波电流计算的经验公式，以满足工程设计要求；
ITHD=k1×k2×THDi■（1）
ITHD：谐波电流，单位：A；
k1：负荷率，即计算负荷占变压器额定容量的比例，通常在0.5～0.8之间；
k2：综合治理系数，通常在0.2～01.0之间；
S：变压器额定荣，单位：kVA；
THDi：谐波电流畸变率，通常在10%～35%之间。
k2的定义及选取。供电系统中的变频设备不同，容量不同，接线形式不同，那么，谐波产生后，同样会相互作用，同时，以功率因数校正为主的补偿装置也会与谐波相互作用，有吸收，也有震荡，故设置k2系数。根据火电发电厂中的变频设备类型、数量，k2取值在0.6～0.8。
根据工程经验，THDi的取值在20%～25%。变频器数量较多时，可取值在25%～35%。
例如，某火力发电厂，一台空冷变压器的额定容量为2500kVA，负荷率k1为0.8，综合治理系数k2取0.7，谐波电流畸变率取25%。
由公式（1），得
ITHD=0.8×0.7×25%■=505.2A
得出估算的谐波电流值，便可进一步选出适当的APF产品，从而避免了谐波电流值估算过大或过小，从而影响APF的谐波消除效果。
4 结束语
今天，随着节能减排工作的深入开展，越来越多的火力发电厂设备开始使用变频装置，这些变频装置通常单机容量较大，其产生的谐波对厂用电系统的安全稳定运行造成了较大影响。作为一种有效的谐波治理措施，有源电力滤波（APF）的应用，可以很大程度上减少这种谐波的危害。为了更加合理的选择APF，本文提出了一个谐波电流计算的经验公式，对火电发电厂的工程设计具有积极的借鉴意义。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军主编.《电力电子技术》第5版.机械工业出版社出版.
[2]马胜利.变配电系统中的谐波治理.价值工程杂志，2012（05）.
[3]英国LEONHARD电气产品说明书.
[4]Power System Harmonics Causes and Effects of Variable Frequency Drives Relative to the IEEE 519-1992 Standard. Raleigh， NC， U.S.A. August，1994.