安科瑞ANAPF有源滤波器在工业供配电谐波治理中的应用研究

安科瑞 刘迈

　　摘要：供配电系统的电能质量与人们的日常生活有直接联系，谐波是影响工业供配电的重要因素，不仅会影响电压波，还会影响整个供配电系统，甚至会影响人身安全。因此，工业供配电技术人员应了解谐波危害及治理技术措施。基于此，文章对工业供配电的谐波危害及治理技术措施进行研究。首先阐述工业供配电谐波的产生原因和危害，其次分析工业供配电谐波检测方法；最后详细分析工业供配电谐波治理技术措施，以期为行业工作人员提供参考。

　　关键词：工业供配电；电能质量；谐波治理；ANAPF系列有源电力滤波器

　　1、引言

　　发电源、输配电系统、用电设备均能产生谐波，而谐波会造成各种设备跳闸，甚至会加剧设备损耗、缩短设备寿命。谐波包括高次谐波、零序谐波，均会对发电源、输配电系统、用电设备产生较大影响，严重时会造成火灾等重大安全事故。现阶段，我国电力技术和用电设备飞速发展，谐波源增多，谐波量增大，导致我国工业供配电效率下降、供配电可靠性降低，严重影响人们生产与生活。应加强对谐波危害及治理技术措施的研究，以更有效地开展供配电工作。

　　2、工业供配电谐波的产生原因和危害

　　2.1工业供配电谐波的产生原因

　　工业供配电电流中频率为基波倍数的成分被称为谐波，而从广义角度看，受工频单一频率影响，任何与工频频率不同的成分均可被称为谐波。从广义角度，可将谐波细分为次谐波、间谐波等。产生谐波的原因是非线性负载加压于正弦电压，基波受影响，电流产生畸变，非线性负载主要有整流器、变频器等。

　　2.2工业供配电谐波的危害

　　2.2.1增加设备损耗

　　在特定频率条件下，电容会与其他感性元件形成串联条件，如果工业供配电系统谐振频率与谐波频率吻合，会导致过电压、过电流。变压器中如果含有高次谐波，会导致高频涡流，使变压器容量降低、使用寿命缩短；如果电容器两端均产生高次谐波且电容器阻抗较小时，会导致电容器内电路增大，电容器损耗加剧雎1；电动机内产生高次谐波时，会产生趋肤效应，加剧电动机损耗，而电动机内的负序谐波会产生脉动转矩，使电动机转动，增加损耗；受谐波影响，电源会形成尖峰电压，导致绝缘损坏，电缆过热，甚至引起火灾；电子控制设备中出现谐波，会使工作人员误操作问题增多，进而影响设备控制。通常情况下，输配线路频率增加，线路感抗频率增加，在趋肤效应影响下，输配线路中的高次谐波逐渐增大，输配线路损耗随之增加，加之零序谐波的影响，输配线路可能会产生过热问题，进而导致绝缘介质老化，甚至烧毁。

　　2.2.2影响继电保护和仪器准确度

　　工业供配电系统谐波会增加继电保护发生概率，导致设备误动。如谐波会影响甚至烧毁电压互感器，使继电保护不能发挥作用。此外，谐波会改变工业供配电各仪器有效值，使测量仪准确度降低，甚至影响设备通信HJ。

　　2.2.3导致意外跳闸

　　在工业供配电中，跳闸是谐波导致的典型故障。如果负荷未达到额定负荷，电路保护装置就会自动跳闸，保护线路和系统。谐波导致的跳闸受电路保护装置影响，电路保护装置的数量和种类较多，每一种电路保护装置的工作原理有所不同，技术人员根据装置工作原理找出问题根源。

　　通常情况下，谐波导致跳闸的情况有以下三种：

　　(1)单相整流电路电流波形为脉冲波形，电路短时间内输出同样功率，导致电流峰值过大，最终导致跳闸；

　　(2)检测峰值电流影响电路保护装置，导致电路保护装置跳闸；

　　(3)电路保护装置含有负序电流，且电流中含有负序谐波时也会发生跳闸。

　　2.2.4降低电能质量

　　基波电压和谐波电流同频时产生的功率被称为有功功率，基波电压和谐波电流频率不同时所产生的功率被称为无功功率。谐波会增加无功功率，在无功功率的影响下，电能质量下降，会严重威胁设备安全与人员生命安全。

　　3、工业供配电谐波检测

　　3.1谐波检测方法

　　目前，行业内主要用参数化和非参数化两种方法检测谐波。

　　3.1.1参数化检测方法

　　参数化检测方法是利用回归滑动平均模型和Prony法(或估计法)分析频率和分辨率的谐波检测方法，能较为地分析谐波频率和分辨率。回归滑动平均模型阶数和噪声问题会影响分析精准度和分辨率。在工业供配电中，Prony法使用较多，该方法受噪声影响较大且使用过程中需进行大量计算。因此，技术人员需应用最小二乘意义上的拟合来降低噪声对谐波检测工作的影响，为谐波处理工作提供保障。

　　3.1.2非参数化检测方法

　　非参数化检测方法包括瞬时无功功率理论法、快速傅里叶变换法和小波分析法等。不同方法具备不同特点，瞬时无功功率理论法能满足快速检测的需求，具有时效性强的特点；快速傅里叶变换法的计算量较少、计算难度较低，且该方法功能较多，但在谐波检测精度方面仍有待提高，精度与其他三种方法相比存在差距；一般情况下，需要实时、动态掌握谐波时会使用小波分析法，但该方法不能为技术人员寻求小波函数，且不能用于高频部分。

　　3.2谐波检测过程

　　在谐波检测中，技术人员会根据频域理论设计谐波处理方案，并根据时域理论确定最终的谐波处理方法。在检测过程中，技术人员会使用模拟谐波处理器，该处理器能根据频域理论长时间检测工业供配电系统谐波。使用模拟谐波处理器时，技术人员应该利用滤波器过滤清除基波电流，并在过滤后获得谐波。除此之外，技术人员还可使用滤波器获取基波，并用基波减去检测电流获得谐波分量。模拟谐波处理器操作简单易上手、成本低且易于管控，得到广泛使用。

　　需要注意的是，采用模拟谐波处理器难以获得稳定的相幅频特性，技术人员操作时仅能使用一组滤波检测特定频率，如果检测过程中电网产生波动，检测度难以得到保障。在检测过程中，技术人员可综合分析多种检测方法的优势与劣势，综合使用多种方法，以提高检测精准度。

　　4、工业供配电谐波治理技术措施

　　工业供配电中存在冲击性负荷和非线性负荷，会导致大量谐波，进而增加设备损耗、破坏设备绝缘、对电子设备控制产生干扰。因此，做好谐波检测、谐波鉴别，并采取针对性措施治理谐波。谐波治理采取科学性强、针对性高的治理方案，以避免扩大污染。根据国家标准，电压越高，谐波畸变率越大，谐波所带来的负面影响越大。因此，应根据电压正确控制谐波或有效谐波。

　　4.1从负载端入手减少谐波

　　在空调、放电灯等非线性负荷影响下，工业供配电系统内产生谐波。因此，减少谐波的有效方法是避免使用或减少使用非线性负荷设备。如工业供配电系统中使用变频器，技术人员可优先选择多电平换流装置，该类装置的输出波形与正弦波相差较小，会减少谐波，降低谐波量。

　　工业供配电系统中的非线性用电设备所产生的谐波对电网有较大影响，在此情况下，技术人员需要减少或避免非线性用电设备产生谐波。实际上，可以利用多个变压器隔离发电机与上级电网，以减少谐波对电网的影响。通常情况下，使用该方法后，110kV高压电网中的谐波含量趋近于零n01。

　　4.2改进变压器接线

　　在变压器接线方面，技术人员可优先使用Y型接法。该方法能消除3倍以上的谐波，达到谐波的目的。通常情况下，工业供配电常用10 kV或以上的电源，输出电压为0．38kV、0．66kV，在此情况下，技术人员可使用D，Y接法谐波。

　　4.3提高工业供配电系统的承载力

　　一般情况下，工业供配电系统的容量较小，如受非线性负载影响，会产生谐波，进而对负荷产生较大影响。加大供电容量，增大供电电压和变压器容量，系统受非线性负载的影响会减小，能在一定程度上或减少谐波。需要注意的是，更换电力设备需增加成本，管理人员需要在考虑经济性的基础上提升系统容量。

　　4.4使用无源电力滤波器

　　无源电力滤波器主要由电抗器和电容两部分构成。技术人员可发挥无源电力滤波器阻抗值较低的特点过滤谐波。无源电力滤波器结构简单，在长期使用过程中呈现较高可靠性。同时基于基波频率，该设备能提供无功补偿。因此，无源电力滤波器被广泛用于高压配电系统n"。然而，无源电力滤波器其仅能滤除特定谐波，导致系统内谐波放大概率增加，系统运行方式也受谐波放大影响而改变。

　　此外，技术人员可使用与负载串联的电抗器谐波，通低频阻高频是电抗器一大特征，使用电抗器能有效高次谐波。如果工业供配电中需高次谐波，应适当增加电抗器数量。

　　4.5使用有源滤波器

　　将有源滤波器与非线性用电负载相连，使用控制装置动态监测负载电流，经过计算后能确定负载电流中的谐波。再通过控制逆变器产生谐波电流，谐波电流与系统谐波方向相反、大小相等，能动态跟踪补偿谐波。

　　现阶段，相比其他设备，有源滤波器是质效较高的设备。一般情况下，有源滤波器被广泛用于低压中小功率领域。需要注意的是，有源滤波器体积大、成本较高，管理人员需考虑成本问题。

　　4.6缩短电源与非线性用电设备的距离

　　缩短电源与非线性用电设备距离的主要目的是减少系统阻抗，为设备提供充足电压。例如，浙江某工业供配电系统中的主要设备是电弧炉，技术人员已针对该设备采取多种谐波措施，然而，110kV母线的测量结果显示，母线上仍有大量谐波。解决该问题的方法是在附近建设变电所，变电所与设备的距离未超过4000m，技术人员选择35kV专线展开连接工作，可以有效谐波。除此之外，该地区还含有多个发电机且都为大容量发电机，缩短非线性负荷电气距离，可以进一步削减谐波对电网造成的负面影响。需要注意的是，该方法投入较大，管理人员应从发展角度考虑是否使用该方法。

　　5、安科瑞谐波治理产品选型

　　5.1功能介绍

　　ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。

　　ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

　　5.2产品选型

　　5.3技术参数

　　总结

　　综上所述，工业供配电谐波危害较大，会损耗设备、降低设备有效性、影响继电保护、破坏设备绝缘等，甚至对发动机、输配电线路产生较大影响。工业供配电技术人员应科学分析谐波产生原因，掌握和综合应用多种谐波检测方法，以提高检测度。针对不同谐波可以采取缩短输电距离、使用变频器等谐波治理设备、提高工业供配电的承受力等技术措施谐波。

　　【参考文献】

　　吴文志.工业供配电谐波治理技术措施研究[J].光源与照明,2023

　　张妍.煤矿供配电系统中谐波的分布及治理措施分析[J].矿业装备，2022

　　安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版

　　安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版