諧波治理的知識

1．為什么諧波的問題越來越嚴重？

     因為現代的用電方式與傳統的用電方式發生了巨大的變化。傳統的電氣負荷大部分是線性負荷，線性負荷不會產生諧波電流，只會導致功率因數降低的問題。

     而現代負荷大多是非線性負荷，典型的就是整流電路。整流電路幾乎應用在所有的電力電子設備中，常見的包括：變頻器、中頻爐、直流電機、充電機、直流電源、信息設備、節能燈具等。這些設備產生了嚴重的諧波電流。

     隨著節能降耗技術的普及，電力電子設備的使用更加普遍，諧波的問題將日益突出。需要注意的是，這些電力電子設備雖然產生較強的諧波，但是相移功率因數都很高。因此，過去，電力公司關心功率因數的問題，將來，將更加關注諧波的問題。

2．當諧波電流嚴重時，會出現哪些現象？

     主要的現象包括：

     ?配電線纜的截面積符合要求，但是仍然過熱

     ?變壓器的容量符合要求，但是仍然過熱

?三相平衡配電，但是零線中電流仍然過大，或者零線過熱

     ?配電箱的容量符合要求，但是仍然出現跳閘現象，或者繼電保護器誤動作

     ?同一配電系統上的數控機床精度降低

     ?同一電網上的控制設備誤動作，儀表顯示不穩定或者讀數誤差增加

     ?無功補償電容頻繁損壞

     ?無功補償柜不能投切，或者不能達到預定補償目標

     ?導致電網上的保護設備的誤動作

     ?變壓器輸出的電壓達不到國家的規定（THD > 5%）

3．為什么要治理諧波？

治理諧波有三個意義：

     1)滿足電力公司對電網質量的要求，電力公司為了維護電網的質量，對電力用戶向電網注入的諧波電流提出了限制。由于很多企業中安裝了高精度、高度自動化的設備，這些設備對電能質量的要求很高。為了滿足這些企業的要求，電力公司將對諧波提出更加嚴格的要求；

     2) 企業內部電能質量，企業內部如果有高精度、自動控制設備，對于電能質量的要求較高，通過諧波治理，使企業內部的電能質量滿足要求；

     3)有利于節能降耗：諧波電流在變壓器、電纜線路中產生更大的熱量，這些熱量就是額外的能量損耗，減小諧波電流，就能夠節省這些能量。另外，諧波電流在負荷中所做的功都是無功功率，諧波電力越大，功率因數越低，能源利用率越低。因此，減小諧波電流對于提高功率因數很重要。

4．關于諧波有哪些標準？

     常用的標準有三個，IEEE519、GB14549、GB17625。這三個標準分為兩類，IEEE519、GB14549是針對電網的，它們規定了電網上的諧波電流和諧波電壓的 大幅度。電力公司使用這兩個標準，規范電力用戶的諧波發射， 公共電網的質量。GB17625是針對設備的，它規定了設備的諧波電流發射必需滿足的要求。如果接入電網的設備滿足這個標準的要求，就不會造成諧波相關的潛在風險。系統集成商要 系統的穩定運行，一個好方法就是所有的設備都選用滿足這個標準的產品。

5．為什么治理諧波的 佳位置在諧波源？

     因為這樣等于從根本上消除了諧波電流，諧波電流帶來的各種危害迎刃而解。另外，在諧波源治理諧波給工程設計帶來很大的方便。

     大部分電氣工程師對于諧波的認識還比較初級，當配電系統上有較大的諧波電流時，給他們的設計帶來很大困惑，各種傳統的設計手冊不再適用。例如，考慮諧波電流時，電纜的截面積不能再按照基波電流的情況來計算，變壓器的容量也不能按照基波電流的情況來設計。如果在諧波源治理諧波，由于配電系統上沒有諧波電流，電氣工程師可以按照傳統的線性負載系統來進行設計，而這方面的設計已經十分成熟。

     雖然從諧波治理的角度講， 佳治理位置在諧波源，但在實際工程中要綜合考慮可實施性和性價比。在綜合考慮各種因素時，應該將諧波源就地治理和在母線上統一治理結合起來，獲得 高的性價比。

6．為什么稱HTHF諧波濾波器為設備級的諧波濾波器？

     因為HTHF濾波器特別適用于安裝在電力電子設備的電源輸入端， 設備的諧波電流發射滿足特定的要求。

     并不是任何濾波器都可以安裝在設備的電源輸入端，設備級的諧波濾波器必須具備以下條件：

     1)諧波濾波效果確定：某臺設備安裝了設備級的濾波器后，它的諧波指標就要是確定的，例如，總諧波電流畸變率THID < 10%。換句話說，就是，這個設備在任何場合使用，諧波電流發射強度都是一定的，與配電系統的特性有關。

     2)不能吸收上游的諧波電流：某臺電力電子設備可能在任何位置接入電網，如果它的上游有其他諧波源，設備級的濾波器不能吸收來自上游的諧波，否則這個濾波器就容易發生過載，甚至損壞。

     3)不能造成系統不穩定：顯然這是一個基本要求，如果由于電力電子設備配裝了濾波器，而在接入系統時，造成系統不穩定，是不允許的。

     4)不能產生過大的超前無功功率：公共電網不允許負載呈現較強的電容性，這會造成系統不穩定。如果電力電子設備配裝了濾波器后，發出過大的容性無功，當接入的設備濾波器較多時，就會達不到電力公司的要求。

     HTHF濾波器完全能夠滿足上述要求，因此，稱其為設備級的諧波濾波器。另外，這樣稱呼還有提醒用戶的含義，這就是，這種濾波器不適合于安裝在母線上。因為這個濾波器接入母線后，會限制母線的容量，并且他的輸出電壓為梯形波，雖然特別適合于6脈整流電路，但是不適合于有些負載。

7．什么叫有源濾波器？

     簡單地說，有源濾波器就是，濾波器本身就是一個諧波源，它能夠主動地向電網發出諧波電流。與此相對應的是無源濾波器，無源濾波器不能主動向電網發出諧波電流，而只能被動的吸收電網上的諧波電流。

有源濾波器的工作原理：檢測出電網上的諧波電流后，向電網上注入幅度相等，相位相反的諧波電流，使其抵消電網上原來的諧波電流，達到減小諧波的效果。

8．有源濾波器有什么優點？

     從諧波治理的角度講，有源濾波器是一種理想的諧波治理設備。與傳統的無源濾波器相比，它具有以下優點（這些都是無源濾波器不具備的）：

     1)濾波效果確定

     2)不會引起系統不穩定

     3)不會發生過載

     4)不會發出額外的容性無功功率

     但是，有源濾波器的構造十分復雜，成本較高。另外，由于有源濾波器本身就是一個大功率的電力電子設備（逆變器），在工作時會產生較強的射頻干擾。這種射頻干擾一方面直接注入到電網，另一方面也會通過空間產生輻射，干擾臨近的電子設備。因此在使用有源濾波器時，要注意這一點，必要時采取適當的射頻干擾濾波措施。

9．有源濾波器可以作為設備級濾波器使用嗎？

     從技術上講，當然可以。但是從經濟上講，很少這樣做。因為，有源濾波器本身的價格可能超過設備本身。并且，有源濾波器可能降低設備的電磁兼容性，除非采用額外的射頻干擾控制措施，這會進一步增加成本。

     有源濾波器更適合于安裝在母線上。在很多場合，有源濾波器是無法被無源濾波器所取代的。例如，商業樓宇中，由于負荷大多為節能燈、信息設備、自動化辦公設備，3次諧波十分嚴重。如果用無源濾波器來濾除3次諧波，會導致容性無功過大。這時，有源濾波器就是不二的選擇。

     有源濾波器是一種理想的母線濾波器。

10．當諧波電流超出PSW有源濾波器的額定補償電流時，PSW會損壞嗎？

     不會。這時僅會發生濾波效果下降的現象。因為PSW有源濾波器具有過載保護功能，即使檢測到的諧波電流超過額定輸出電流，他的輸出電流也不會增加。這時，就會有些諧波電流得不到補償。

11．怎樣確定諧波治理的位置，在設備級進行治理，還是在母線上治理？

     從技術上講，這取決于治理諧波的目的。任何諧波治理方法，都是 治理位置的上游諧波指標達到要求。

     如果，諧波治理的目的是滿足電力公司對企業主變壓器上游的電能質量要求，就采取母線治理的方法。

     如果，諧波治理的目的不僅是滿足電力公司對企業主變壓器上游的電能質量要求，還要 企業內部的用電質量，就要采取設備級治理的方法。

     當然，即使在母線上治理，也還有選擇治理點的問題。選擇治理點的原則有兩個， ，治理點要在所有諧波源負荷的上游；第二，治理點盡量靠近下游，這樣，企業能夠獲得 大的好處。例如，在主變壓器的次級治理優于在初級治理，在初級治理，獲得好處僅是電力公司，在次級治理，企業獲得好處是變壓器的容量得到了釋放。

12．怎樣制定一個 佳的諧波治理方案？

     我們對 佳的諧波治理方案的定義是：

     既滿足電力公司的要求，又 企業內部的電能質量，并且成本 低。

     蕞佳的諧波治理方案如下圖所示。

     圖中，大功率諧波源（例如11kW以上）采用HTHF濾波器，將其諧波電流發射降低到THID<10%以下。 企業內部電網的質量。

     較小功率諧波源（例如10kW以下）不用采用專門的諧波濾波器。因為這些諧波源產生的諧波電流 值較小，不會對企業內部電網造成嚴重的影響。

     在母線上安裝PSW有源濾波器，消除所有殘留的諧波電流，滿足電力公司的要求。由于大部分諧波都已經在諧波源進行了就地治理，因此，有源濾波器的容量大大減小，成本大大降低。

     航天綠電HTHF設備級濾波器和PSW有源濾波器為實現上面的方案提供了可能。

13．PSW有源濾波器可以與無功補償柜并聯使用嗎？

     盡量不要在一起使用。如果一定要在一起使用，電容補償裝置要采用帶消諧電抗器的種類，并安裝在PSW的上游，如下圖所示。

     有源濾波器和無源濾波器的原理及區別

     無源濾波器：這種電路主要有無源元件R、L和C組成。

     有源濾波器：集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。

     無源濾波裝置

     該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用；由于SVC的調節范圍要由感性區擴大到容性區，所以濾波器與動態控制的電抗器一起并聯，這樣既滿足無功補償、改善功率因數，又能消除高次諧波的影響。

     市面上廣泛使用的濾波器種類有：各階次單調諧濾波器、雙調諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。

     1)單調諧濾波器：一階單調諧濾波器的優點是濾波效果好，結構簡單；缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數的提高而減少，同時又隨諧波次數的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7次，因此，基波損耗較大。二階單調諧濾波器當品質因數在50以下時，基波損耗可減少20～50％，屬節能型，濾波效果等效。三階單調諧濾波器是損耗 小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些，用于電弧爐系統中，2次濾波器選用三階濾波器為好，其它次選用二階單調諧濾波器。

     2)高通(寬頻帶)濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑制。當在電弧爐等非線性負荷系統中采用時，對5次以上起濾波作用時，通過參數調整，可形成該濾波器回路對5次及以上次諧波的低阻抗通路。

有源濾波器

     雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點，在現階段廣泛用于配電網中，但由于濾波器特性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象等因素，隨著電力電子技術的發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器(Active PowerFliter，縮寫為APF)。

     APF即利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點：

     a．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；

     b．濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；

     c．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