工业企业电网谐波治理的一种新技术

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摘要： 本文作者阐述了，各类电力电子设备，如变频器等在企业的应用越来越广泛，大大提高了企业的生产效率，但变频器工作时会产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。这样，连接在同一点的其它设备上就会被施加了含有谐波成分的非正弦电压而产生不利影响。对于生产自动化程度先进的企业来说，采用有源电力滤波器是一种提高电能质量并确保安全生产用电的有效先进手段。

关键词：电力电子技术；电网谐波；治理；新技术

1 前言

随着电力电子技术的发展，各类电力电子设备，如变频器等在企业的应用越来越广泛，大大提高了企业的生产效率，但变频器工作时会产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。这样，连接在同一点的其它设备上就会被施加了含有谐波成分的非正弦电压而产生不利影响。

2 谐波对企业的危害主要表现在以下几个方面

（1）谐波使企业电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网、输电及用电设备的使用效率，增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流，造成零线过热。

（2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。

（3）如果企业电网中装有补偿电容器，谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或是串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连的电抗器、电阻器的损坏。

（4）谐波会引起企业中一些敏感的自动化设备误动作，同时也会导致电气测量仪表计量不准确。

（5）谐波会对附近系统的信号传输产生干扰，轻者引入噪声，重者导致信号丢失，使系统无法正常工作。

以上危害在有些企业中表现的比较突出，而在一些工业企业中表现的不是很明显，然而谐波危害的隐患依然存在，特别是工业企业的自动化程度比较高，如果谐波含量超标会对系统运行的稳定性造成极大的威胁，一旦表现出来，必然造成巨大的损失。

3 谐波治理

对于企业来讲，进行谐波治理是一项非常有意义的工作。首先，它可以提高企业设备的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；其次，可以减少谐波电流在输配电线路上产生的热损，同时降低用电设备发热，减少绝缘老化，从而提高设备的使用寿命，减少设备的维护费用；第三，谐波治理会减少企业电网中装设的补偿电容器的谐振机率，同时减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；最后，可以减少谐波对公共电网的污染。

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。

采用有源电力滤波器可以获得比传统方式更好的补偿性能，可以克服无源滤波器的各项缺点，并且具有以下优点：

（1）它在对频率和大小都在变化的谐波以及无功电流进行补偿时，对补偿对象的变化有很快的相应，可实现动态补偿。

（2）可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿程度连续可调。

（3）补偿无功功率时理论上不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件也不大。

（4）受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振。

（5）目前有源电力滤波器已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。

4 有源电力滤波器的工作原理

并联型有源电力滤波器系统构成的原理图如图1所示。图1中，负载为谐波源，并联型有源电力滤波器由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分组成。其中后三部分共同构成了并联型有源电力滤波器的补偿电流发生电路。基本工作原理是检测

补偿对象（即图1中负载）的电压与电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当只补偿负载产生的谐波时，可使补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等、极性相反，两者相抵消，流入电源的电流即等于负载电流的基波分量，成为正弦波。

指令电流运算电路：

以三相电路瞬时无功功率理论为基础[3]，通过计算ip、iq可以得出三相电路谐波和无功电流的检测方法。该方法[4]的原理图如图2所示。图中、iLa、iLb、iLc为负载电流瞬时值，esa为电源a相电压，LPF为低通滤波器。

正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt可通过正、余弦信号发生电路得到，根据式(1)和(2)可计算出ip、iq，经低通滤波器LPF滤波后得出其直流分量 、 。将 、 反变换可得到负载电流的基波分量。然后用负载电流减去其基波分量就可得到负载电流中的谐波分量，该谐波分量反极性后即作为补偿电流的指令电流信号。

5补偿实例

我们对某烟厂低压变电所2号变压器、3号变压器出线端分别进行了测试，测试结果如图3、图4所示：

图4 变电所3号变压器出线端A相补偿前电流、电压波形

从测试的技术数据分析来看，电流畸变率非常严重，THDi的数据在15%到30%之间，电流波形已经完全变形。这是非线性负载（变频器）工作运行的结果，这些非线性负载就是谐波电流源。必须进行谐波治理。

图5和图6分别给出了加装有源电力滤波器后的补偿效果示意图。从图中可以看出，使用有源电力滤波器取得了良好的补偿效果。

4 结语

通过本文介绍可以看出，对于生产自动化程度先进的企业来说，采用有源电力滤波器是一种提高电能质量并确保安全生产用电的有效先进手段。

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