電網(wǎng)中理想的電壓電流波形是50Hz的正弦波,，電壓與電流的相位一致，功率因數(shù)為1,。實際電網(wǎng)中的負(fù)荷千差萬別,，尤其隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量非線性負(fù)荷增加,，特別是電力電子技術(shù),、節(jié)能技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，在通信,、交通,、汽車工業(yè)、工程機(jī)械,、冶金鋼鐵,、煤礦、石油石化等部門大量使用各種整流設(shè)備,、交直流換流設(shè)備,、電力電子調(diào)壓設(shè)備、電熔煉設(shè)備,、電化學(xué)設(shè)備,、礦井起重設(shè)備、露天采掘設(shè)備,、電氣機(jī)車等與日俱增,，這些非線性負(fù)載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變,，這種諧波污染會對電網(wǎng)和用戶帶來越來越多的干擾和影響,，影響用電設(shè)備安全，增加電能損耗,。

1諧波的定義與危害

根據(jù)國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)GB/T14549-93》的定義：“諧波(分量)為對周期性交流分量進(jìn)行傅立葉分解,，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。"也就是說諧波是一個周期電氣量的正弦分量,，其頻率為基波頻率的整倍數(shù),。

諧波研究的意義在于諧波會嚴(yán)重影響用電設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全、可靠與經(jīng)濟(jì)運行,。供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①誘發(fā)電網(wǎng)諧振,，導(dǎo)致諧波過電壓和過電流，引起嚴(yán)重事故,，損壞電容器補(bǔ)償?shù)入姎庠O(shè)備,。②導(dǎo)致異步電機(jī)和變壓器產(chǎn)生附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動和諧波過電壓,，降低效率和利用率,，縮短使用壽命。③諧波電流頻率增高會引起電力電纜和配電線的集膚效應(yīng),，導(dǎo)線電阻變大,，線損加大，發(fā)熱增加,，絕緣過早老化,，容易發(fā)生接地短路故障，形成火災(zāi)隱患,。④對通信,、電子或自動控制設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。⑤諧波電流使斷路器遮斷能力降低,，導(dǎo)致斷路器,、接觸器等不能安全穩(wěn)定工作,。⑥致使電力保護(hù)裝置誤動或拒動，導(dǎo)到處區(qū)域性停電事故,。⑦使電力系統(tǒng)各種測量儀表誤差變大,，甚至無法工作。⑧干擾或影響各類低壓電器的正常使用,。

2工業(yè)廠房諧波源

工業(yè)廠房所常用的非線性用電設(shè)備主要有四大類,。

（1）電弧加熱設(shè)備，如電弧爐,、電焊機(jī)等電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧,，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓,，造成弧電流與弧電壓的非線性,。此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性,。

（2）交流整流的直流用電設(shè)備,，如電解、電鍍等交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因時由于整流設(shè)備有一個閥電壓,，在小于閥電壓時,，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源,，在整流設(shè)備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感),，從而使閥電壓提髙，加激了諧波的產(chǎn)生量,。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流,在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅,，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低°

（3）交流整流再逆變用電設(shè)備,，如變頻調(diào)速,、變頻空調(diào)等交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣,，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流,，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波,。雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小,，但它的分布面廣，數(shù)量多,，是目前推廣使用的技術(shù)手段,，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

（4）開關(guān)電源設(shè)備,？如中頻爐,、電子整流器等開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣,，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉,，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流,，供給用電設(shè)備,。

3諧波治理措施分析

由于諧波引起的危害在不斷擴(kuò)大，為了減少電力系統(tǒng)中諧波問題,我國于93年發(fā)布實施了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993),對諧波,、負(fù)序電流注入電網(wǎng)的量做出明確的規(guī)定,，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。目前主要從兩個方面對諧波進(jìn)行治理,。

一方面是提高供電電壓等級，以提高與電網(wǎng)公共連接點的短路容量,，使諧波對電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi),但這并不是通過消除諧波本身對電網(wǎng)的不利量值來解決電網(wǎng)的影響,，而是把這些量值送到更高電壓等級的電網(wǎng)去擴(kuò)散，以降低對電網(wǎng)的影響,。

另一方面是從諧波源著手,，在根本上消除大部分諧波量值，以使其對電網(wǎng)的干擾降至*低,。通常采用無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF兩種諧波抑制裝置。就目前情況來說,，這種方法的使用效果更加明顯,，使用前景更加理想。

無源LC濾波裝置無源LC濾波裝置是由電容器,、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，其基本原理是利用電路諧振的特點,，形成某次或某些諧波的低阻抗通道,，將大部分諧波電流分流，分為單調(diào)諧濾波器,、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等幾種。單調(diào)諧濾波器僅針對某一特定設(shè)計頻率,，例如3次,、5次,、7次等'形成對特定次數(shù)諧波的低阻抗通道。實際中常用幾組針對不同頻率的單調(diào)諧濾波器和一組二階高通濾波器組成濾波成套裝置,。LC濾波器中含用一定量的電容,，可提供固定容量的無功功率，起到一定的改善功率因數(shù)效果,。如圖1所示,，針對可控硅整流電源型諧波源，設(shè)置了5.7.11次單調(diào)諧濾波支路,。由于特定次數(shù)的諧波電流值與所流經(jīng)支路諧波阻抗成反比,，諧波源產(chǎn)生的諧波電流中,80-90%流經(jīng)濾波支路，只用10-20%的諧波電流注入系統(tǒng),起到很好的諧波濾除效果,。為適應(yīng)諧波變化的情況,，也常用可控硅對濾波器組進(jìn)行動態(tài)投切，稱為TSFO

無源濾波具有投資少,，效率高,，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點,。但無源濾波也存在諸多缺點如受系統(tǒng)參數(shù)影響較大,，只能消除特性的幾次諧波，濾波要求和無功補(bǔ)償,、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào),，有效材料消耗多、體積大等,。

圖1

有源濾波裝置有源濾波器(ActivePowerFilter,，縮寫為APF）oAPF的工作原理是并聯(lián)接入電力系統(tǒng)，通過實時檢測負(fù)載電流波形,，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流成分,并將其反向,，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng),，實現(xiàn)濾除（抵消）諧波功能,。另外，還可提供超前或滯后的無功電流,，用于改善電網(wǎng)功率吸數(shù),、實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償。APF相當(dāng)于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道,，以免諧波電流注入系統(tǒng),。如圖2所示。

與無源濾波器相比,APF有以下特點：

①不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變,補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點，在性價比上較為合理;②濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響,，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險,；③具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波,，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點,。同時APF也存在造價高、運行損耗大,、容量受到限制等缺點,。

4濾波器裝置在工程中的合理應(yīng)用

工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)通常為混合型配電系統(tǒng)。在設(shè)計工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)時應(yīng)對各設(shè)備進(jìn)行分類,，做到同類別設(shè)備由同一配電干線供電,，甚至由專用變壓器供電,。對不同設(shè)備所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行針對性治理,，使其發(fā)揮*大的作用,減小不同設(shè)備的互相干擾。工業(yè)廠房配電系統(tǒng)的諧波治理方式可分為總補(bǔ)償方式,、部分補(bǔ)償方式和局部補(bǔ)償方式,。如圖3所示

（1）總補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載位置分散且單臺容量較小時,宜采用集中補(bǔ)償方案。如輕工業(yè)園區(qū),，各工廠規(guī)模較小,，設(shè)備較少，往往整個工廠的變壓器安裝容量不到lOOOkVA,在低壓電源總進(jìn)線處安裝APF,就能有效地消除諧波,。

（2）部分補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載集中在某幾條支路時,，宜采用部分補(bǔ)償方案。如工程機(jī)械聯(lián)合生產(chǎn)車間的焊接區(qū)與涂裝區(qū),，設(shè)備均集中在某一區(qū)域,，一般采用單獨的母線供電，可在母線的供電端安裝相對應(yīng)的無源濾波器,，這樣即能有效的抑制諧波又節(jié)省投資,。

（3）局部補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載集中，單臺容量較大時,，宜采用局部補(bǔ)償方案,。如鋼鐵行業(yè)的電弧爐、水泥行業(yè)的懶燒用大型轉(zhuǎn)窯等,，這類設(shè)備對其他設(shè)備的干擾很大,，應(yīng)就地安裝APF進(jìn)行消諧。

5電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

5.1概述

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)主要研究供配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償和諧波治理問題,，適用于新建,、改建、擴(kuò)建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補(bǔ)償、諧波及綜合治理等,，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負(fù)載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計解決方案,，以達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行的目的。

5.2典型行業(yè)

①商業(yè)中心/辦公大樓/醫(yī)療/機(jī)場/體育館：空調(diào),、電梯,、LED屏幕、可控硅調(diào)光系統(tǒng),、音響系統(tǒng),；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器,、整流器等,；

④學(xué)校/研究院：實驗室、機(jī)房設(shè)備,、數(shù)據(jù)中心,；

⑤工廠：使用大型設(shè)備的生產(chǎn)線，高精度數(shù)控中心等,；

⑥通信/金融/醫(yī)療/商業(yè)中心：UPS,、開關(guān)電源等。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)由低壓側(cè)電能治理產(chǎn)品組成,，主要產(chǎn)品有ANAPF有源電力濾波器,、ANSVG靜止無功發(fā)生器、ANSNP中線安防保護(hù)器,、ANHPD諧波保護(hù)器,、ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置、ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補(bǔ)償裝置,、ANSVG-S-A混合動態(tài)消諧補(bǔ)償裝置,、ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償

6 產(chǎn)品選型

6.1諧波治理產(chǎn)品選型

7產(chǎn)品功能

7.1 ANAPF有源電力濾波器

APF模塊

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)上，負(fù)載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中,，通過實時檢測電路將負(fù)載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來,，經(jīng)控制系統(tǒng)快速運算，采用PWM控制IGBT的觸發(fā),。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流,，該補(bǔ)償電流與負(fù)荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反,，互相抵消,，實現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波,。

7.2 ANSNP中線安防保護(hù)器

互感器

ANSNP壁掛模塊

ANSNP中線安防保護(hù)器通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流,，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流,，并注入中性線,，從而消除中性線中過大的電流。

7.3 ANSVG靜止無功發(fā)生器

觸摸屏

互感器

ANSVG模塊

ANSVG靜止無功發(fā)生器是一種用于補(bǔ)償無功以及不平衡的新型電力電子裝置,，它能對大小變化的無功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償,，其應(yīng)用可克服LC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能控制,、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點,。

7.4 ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置

（1）分立元件方案

ANBSMJ電容

ANCKSG電抗

AFK復(fù)合開關(guān)

ARC控制器

ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4kV電網(wǎng)的無功功率自動補(bǔ)償；它集無功補(bǔ)償,、電網(wǎng)監(jiān)測于一體,，不但可以通過投切電容器組來補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù),，降低線損,，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量；同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓,、電流,、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）智能電容方案

AZCL智能電容

ARC28F控制器

AZC系列智能電力電容補(bǔ)償裝置是應(yīng)用于0.4kV,、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損,、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備,。AZC由智能測控單元，投切開關(guān),，線路保護(hù)單元,，低壓電力電容器等構(gòu)成，AZCL在AZC的基礎(chǔ)上添加了電抗器,，電抗率可選7%/14%,，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環(huán)境,。改變了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式,。具有補(bǔ)償效果更好，體積更小,，功耗更低,，價格更廉，節(jié)約成本更多,，使用更加靈活,，維護(hù)更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點,。

7.5 ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補(bǔ)償裝置

觸摸屏

互感器

ANSVG-G-A模塊

ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償無功的同時可兼治理系統(tǒng)的諧波,，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量,，通過控制計算及邏輯變化,，計算出系統(tǒng)所需的無功分量及諧波分量,，然后通過三相全橋換流電路實時產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的無功與諧波電流注入到配電系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能補(bǔ)償，兼諧波治理,。

7.6ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補(bǔ)償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-A模塊

ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補(bǔ)償裝置應(yīng)用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟(jì)性和APF濾波的性等特點為基礎(chǔ),，將兩者技術(shù)相結(jié)合,，提高傳統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，在降低成本的同時,，實現(xiàn)諧波治理與無功補(bǔ)償,。

7.7ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-G模塊

ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置是一種用于補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù),，實現(xiàn)補(bǔ)償效果的新型電力電子裝置,；智能控制系統(tǒng)主動根據(jù)系統(tǒng)的線性動態(tài)需求，自動調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比,；ANSVG-S-G整機(jī)主要是由ANSVG-S-G模塊,、無源補(bǔ)償電容器（TSC）、液晶顯示器組成,。

8 應(yīng)用案例

8.1概述

某工廠負(fù)載為空壓機(jī),、注塑機(jī)一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源,，客戶要求針對諧波電流進(jìn)行治理,，改造前/后實測數(shù)據(jù)如下：

治理前數(shù)據(jù)截圖

治理后數(shù)據(jù)截圖

現(xiàn)場安裝圖

8.2測量前/后數(shù)據(jù)統(tǒng)計

8.3測量前/后數(shù)據(jù)分析

從治理前后的測量數(shù)據(jù)電流波形對比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑,，更加趨近于正弦波形,。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，諧波電流主要以5,、7,、11次為主，治理前的5,、7,、11次諧波電流均超出國標(biāo)限值（5次62A、7次44A,、11次28A）,，經(jīng)過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下,，滿足國標(biāo)對于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%,；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%,，滿足國標(biāo)限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn),，諧波治理效果明顯,。

9典型業(yè)績

10結(jié)語

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的主要動力能源依然是電能，絕大多數(shù)工廠都是從國家電力系統(tǒng)取得電能的,。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的高速發(fā)展,，對電能的需求將越來越大，而用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波也將越來越大,。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡銘,，陳衍.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2000.

[2]諸俊偉.電力系統(tǒng)分析[M].北京：水利電力出版社,1995.

[3]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社,1998.

[4]吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京沖國電力出版社,1998.

[5]電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波GRT14549-1993[J1].

[6]陳祥金.工業(yè)廠房供電系統(tǒng)諧波分析與治理

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.