电力滤波器在客户中的应用

在配电网中，电压和电流的波形应是正常的正弦波，然而随着现代化生产和电子技术的发展，工矿企业中大量采用的整流换流装置，冶金机械行业中大量采用电弧炉、轧机、变频器;化工行业中大量采用整流、电石炉、电焊设备;石化行业采用的机泵变频调速装置，其三相桥式可控整流注入大量5次谐波;交通中运输中的电气机车、电车、地铁、轨道交通中大量采用的都是整流装置，这些电气设备均属非线性负荷，其电压和电流均会发生不同程度的畸变。畸变后的波形中含有高次谐波，其中还包括家用电器在内的由整流和变频引起的小容量的高次谐波，这些高次谐波产生的谐波电流进入配电网络，使电网的安全运行受到严重影响，使电能质量受到污染。

北京顺义地区的谐波源主要有：大秦电气化铁路沿线的牵引站，冶金冷轧生产线的轧机和真空烧结炉炉体设备，半导体生产工艺中的炉体设备，特别是大秦铁路的木林牵引站，注入电网的谐波和负序(基波)影响了地区电网的电压质量和电网的安全运行。随着顺义区空港物流和临空经济的发展，电压质量的优劣是供电企业优质服务工作的重要组成部分，因此根治谐波污染已是十分重要的问题。

1 高次谐波对电气设备的直接危害

交流电网的电压畸变会引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定;而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备。

三次及其倍数次的高次谐波对星形连接的变压器，当绕组中性点接地，其电网中分布电容较大，或安装了中性点接地的并联电容时，会形成3次谐波振荡，使变压器附加损耗大大增加。对三角形连接的变压器会使其在绕组中形成环流，使绕组过热，而且谐波电流使变压器的铜损和铁损大大增加。

高次谐波电流在电动机中产生的集肤效应、磁势涡流等，随着频率增高而使电动机铁芯和绕组中的附加损耗增大，在电动机启动时易发生脉动，干扰力矩使电动机产生较大的噪音。由于电动机负荷很大，高次谐波产生的附加损耗在电力负荷中的影响十分显著。

测量用仪器仪表均在50Hz的标准正弦波的理想状态下设计的，当供电电压或电流中含有高次谐波成分时，就会影响仪器仪表测量的准确性，并影响感应式电能表的正常工作。

高次谐波在电力线路中流过的幅值较大的低频谐波电流经过磁场耦合。在相邻的通信线路中会产生干扰，在谐波和基波的共同作用下，误触发电话铃声，干扰通信线路系统的正常工作，影响通信线路的通话。在特定的条件下，还会威胁通信设备和人员的安全。

高次谐波会严重影响电力系统的继电保护和自动装置，引起各类保护误动作，威胁电力系统安全运行。

高次谐波对于带有启动用的镇流器和提高功率因数的电容器的灯光照明会造成谐振过电压，损坏镇流器和电容器。高次谐波还会对电视机、计算机的图形产生畸变，画面亮度产生波动。使机内元件过热，计算机数据出错。

高次谐波可使电容器介质损耗增加、发热、寿命缩短，吸收谐波后会导致电容器过电流，使熔丝熔断，电容器与电网电感形成串联谐振时，将谐波放大，烧毁电容器。

交流电网的电压畸变会引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈放大系统的电压畸变，使整流器的工作不稳定;而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备。

2 高次谐波的抑制

高次谐波的抑制，主要是减少或消除注入电网的谐波电流，控制谐波电压和电流在允许范围内，抑制谐波电流的主要措施为：改善供电环境、降低谐波源的谐波含量，吸收谐波电流。其中吸收谐波电流是目前使用广泛，且最有效的抑制谐波的方法。常用方法如下。

2.1 无源滤波器(FC)

无源滤波器属于被动的吸收式滤波，在谐波源比较简单的系统中，结合功率因数补偿，选用高性能的滤波电容器，串联高线性的滤波电抗器，组合成滤波补偿器，在吸收系统中主要的谐波分量时，补偿无功功率。

无源滤波又分为调谐和非调谐的两种滤波技术，调谐式无源滤波技术主要为滤波，其效率可达70%，但配置的容量很大，投入时会造成电压波动，且易造成过补偿。其计算和配置复杂，存在谐振的危险，无法满足要求。目前已不使用。

非调谐式无源滤波技术是抑制谐波进入电容器，避免谐振。其配置简单，但滤波效果差。

2.2 有源滤波器(APF)

有源滤波器属于动态消除滤波，一般用于重要负荷场所，根据用电设备对谐波的敏感程度，为达到最佳的滤波效果，配置动态有源滤波器。有源滤波器是采用开关元件，通过数字信号处理和脉宽调制技术，根据检测到的谐波分量，产生一个幅值相等、相位相反的电流，在谐波源处注入系统，使电源的总谐波为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，该技术对清除谐波效果大，可滤除97%以上的谐波电流，其滤波特性不受系统阻抗的影响，可清除与系统阻抗发生谐振的危险，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点。该技术不存在导致过补偿和引起电压波动的问题，具有自适应功能，可自动跟踪并补偿变化中的谐波。

目前有源滤波器发展方向如下。

2.2.1 控制系统的简化

目前有源滤波器控制系统大多为模拟电路，其结构复杂，随着高速数据处理芯片功能的完善，不久将实现数字化。能更准确的检测电网的谐波电流，以达到更好的补偿效果。

2.2.2 补偿装置的多功能化

有源滤波器除能补偿谐波外，改造其控制回路后，还可补偿基波的无功，更好抑制电压闪变和不平衡电压。

2.2.3 降低装置容量

有源滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源滤波器装置的容量主要取决于补偿电流，因此有源滤波器的造价远高于无源滤波器。为降低补偿装置的投资，主要应降低有源滤波器的容量。目前是将有源滤波器和无源滤波器组合使用。用无源滤波器滤除谐波源中的主要谐波电流，再利用有源滤波器提高总的补偿效果。这就是组合型有源滤波器。

2.3 组合型滤波器

有源滤波器补偿效果好，响应快，且不受阻抗影响，但价格相对较高，如将有源滤波器的优越性能与无源滤波器的低成本相结合，即可构成组合型滤波器，通过适当控制可使负荷的谐波电流由有源滤波器提供，负荷的基波无功功率由无源滤波器提供。这样逆变器的容量可明显减小，成本大大降低，是理想的消除谐波及补偿无功的最佳方式。

3 客户消谐的技术和管理措施

从以上对谐波产生的原因分析，可看到目前大量采用电力电子设备的冶金、化工、机械、轨道交通等行业中存在着高次谐波，严重污染和干扰了电力系统，为消除谐波的影响，以上消除谐波的方法，针对不同的客户，采用适当有效技术手段和到位的管理措施，是完全可以做好谐波源治理工作的。

3.1 在客户工作中应采取的技术手段

在治理谐波源的过程中，首先应针对谐波源的设备，选择合理的消谐技术措施。对负荷变化不大、谐波次级超标种类不多的，可采用简单经济的无源滤波器，但需要结合负荷工况实现分级投入，以确保在低载时也不会发生谐波超标。 相对于负荷变化较大的，谐波次级超标种类较多的，要求设计采用有源滤波器与无源滤波器组合的使用方式。首先采用结构简单、成本低的无源滤波器，分担大部分补偿和消谐任务，再利用有源滤波器良好的补偿性能，这样既解决了有源滤波容量大、成本高的问题，又可使系统取得较好的消谐效果。

优先选用滤波器的在线监测系统，在谐波源客户中尽可能选用滤波器的在线监测系统，目前在部分客户中，已使用滤波器的在线监测系统，对谐波电压、谐波电流具有记录和报警功能，实时监测谐波电压、谐波电流，系统能输入设置各次谐波电流允许值和谐波电压总畸变值。当谐波电压、谐波电流超标时，能记录超标时的各次超标谐波的最大值、最小值及平均值，以及记录超标时间等相关数据。安装滤波器在线监测系统，使供电部门实时掌握客户的谐波情况，及时发现系统存在的潜在危害，以便于尽快作出判断，果断采取措施，消除隐患。采用滤波器的在线监测系统，还可减少对谐波源客户的现场测试，提高工作效率，有效地改善电网电能质量，节约能源，提高客户计量点的功率因数，解决客户功率因数不合格造成的功率因数调整电费的罚款问题，经济效益和社会效益显著。