用并聯有源濾波器治理變頻器類諧波的分析

摘要：文章針對變頻器這一特殊諧波源設備，從變頻器的工作原理入手，分析了變頻器產生諧波的原因和危害，由此提出采用并聯有源濾波器濾除諧波的方法。并分析了淮化集團甲胺生產線如何采用并聯有源濾波器,解決因變頻器所導致的諧波問題。
關鍵詞：變頻器；諧波；濾除；有源濾波器

近年來，我國變頻調速技術已經取得了相當大的發展，安徽淮化集團甲胺生產線中含有大量變頻設備，對電能質量造成較大的干擾，變壓器和電機在不同程度上均出現了溫度過高和噪聲較大的現象，集團公司提出了迫切的治理要求。

1 諧波的危害

　　變頻器主要產生5、7次等6n±1次諧波，諧波導致損耗增加和設備壽命縮短。諧波的危害主要體現在對以下幾類元器件的影響：

　　（1） 變壓器。諧波電壓和諧波電流將增加變壓器銅損和鐵損，結果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產生共振及噪聲。

　　（2） 電動機。諧波電壓在電動機短路阻抗上產生的諧波電流和電動機負序基波電流一起使設備產生附加銅耗和鐵耗，引起電機發熱，甚至燒毀，并且在電動機起動時容易發展成脈動干擾力矩，這些力矩產生較大的噪聲。諧波電流和負序基波電流有效值之和一般不得大于電動機額定電流的5%～10%。

　　（3） 電容器。諧波可使電容器介質損耗增加、發熱和壽命縮短；大量吸收諧波會導致電容器過流，引起熔絲熔斷；電容器與電網電感形成串聯諧振回路，能導致諧波的放大、電容燒毀等。在畸變電壓下電容器的電流有效值為：規程規定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流。位于諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊制造。

　　（4） 電子裝置。諧波電壓可使晶閘管觸發裝置發生觸發錯誤，甚至導致設備故障。諧波也會對電網音頻控制系統和計算機產生不良影響。

　　（5） 通信系統。在2.5kHz以下導線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特別是較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾。

2 諧波的濾除

　　針對淮化集團這一類典型的使用變頻器比較多的企業，在改善電能質量方面通常可采用且經濟可行的方法是，在企業內部的主電路上裝設一套諧波濾除裝置。濾除諧波的方式按工作原理主要分為“主動型”和“被動型”兩類。傳統的LC濾波器為“被動型”的代表，它結構簡單，控制方式較容易實現，不需要很大的經濟投入，目前仍有相當多的應用。隨著電力電子技術的快速發展，諧波治理技術的一個重要趨勢是應用有源電力濾波器，即主動型。
有源電力濾波器通過串聯或并聯的方式連接到主電路中，從主電路中實時檢測出諧波電流，然后控制逆變電路產生一個與該諧波電流大小相等、方向相反的補償電流分量，并注入到主電路中抵消原諧波電流，從而達到濾除諧波的目的。并聯有源濾波器因其在諧波治理方面的良好性能以及在工程實施中便于安裝，在目前得到相當多的應用。圖1為并聯有源濾波器的原理框圖。　

I_s—系統電流；I_t—檢測電流；I_c—補償電流分量



圖1 并聯有源濾波器原理

　　并聯有源濾波器特性不受系統阻抗影響，不會與電網發生諧振，并具有高度可控性和快速跟蹤性，可以適應多臺變頻器不同步運行的復雜工況。可以同時補償各次諧波電流，克服了LC濾波器只能針對某次諧波電流進行濾波的缺點，從而保障了良好的濾波效果，可以對系統中的所有負載進行綜合治理，性價比較為合理。

3 并聯有源濾波器的應用

　　淮化集團甲胺生產線共有2個低壓配電房NF71變和NF73變，系統主接線圖如圖2所示。其中NF71變分別有2臺變壓器，容量均為1600kVA，電壓等級為6.3kV/0.4kV，采用Yyn0連接方式，阻抗電壓百分比為4.3%，2臺變壓器長期單獨運行；NF73變也分別有2臺變壓器，容量均為1250kVA，電壓等級為6.3kV/0.4kV，采用Yyn0連接方式，阻抗電壓百分比分別為4.4%，2臺變壓器長期單獨運行。4臺變壓器下的主要負載都是變頻器和部分整流設備，這是主要的諧波源。并聯濾波裝置的安裝點如圖2中所示的A、B、C、D4處。各個變壓器下負載的運行方式都很類似，現以NF71變下的1號變壓器為例進行分析。

圖2 系統主接線圖

　　該支路的短路容量為35 MVA，圖3為現場測試時所抓拍的電壓畸變圖和電流頻譜圖。從圖片可以看出，諧波成分以5次和7次為主，根據測試數據分析出5次諧波電流大小為235.6A（95%概率大值，下同），7次諧波電流大小為161.2A，5次、7次諧波電流均已超出國標值所規定范圍。總諧波電流大小為305.9A。系統功率因數在0.92左右。在整個測試周期中，系統總電流在665.1～1
023.7A之間波動，在某些時段內電流短時間的變化幅度特別大，這主要是由于生產工藝對速度、壓力等物理量的要求較嚴格所造成的。對應在這些時段中的諧波電流分量變化也非常地大，這就對濾波裝置的快速響應能力提出了較高的要求。　

圖3 電壓畸變圖和電流頻譜圖

　　淮化集團甲胺生產線改造工程是綜合考慮以上各方面因素后選擇了上海追日電氣有限公司ZRAF系列并聯有源濾波器的。表1為裝置使用前后的現場測試數據。圖4為系統使用ZRAF系列并聯有源濾波器后，電網側電壓畸變圖和電流頻譜圖。

　　使用并聯有源濾波裝置后，系統中的各項電能質量指標均達到考核標準，整個生產線的設備運行穩定，原有的變壓器和電機出現的溫度過高和噪聲較大現象均得到明顯改善。

表1 使用ZRAF系列并聯有源濾波器前后現場測試數據比較

圖4 使用ZRAF系列并聯有源濾波器后電網側電壓畸變圖和電流頻譜圖

4 結論


　　淮化集團甲胺生產線因諧波電流影響所導致的各種電氣故障在使用了并聯有源濾波裝置后得到了明顯改善。并聯有源濾波裝置針對變頻器類諧波源的治理效果具體體現為消除諧波電流、降低電氣故障率、提高電能使用效率等。隨著變頻器日益廣泛的使用，諧波所造成的電能質量問題越來越受到社會的重視，并聯有源濾波裝置在治理電能質量問題方面將會有越來越多的應用。

收稿日期：2005-07-11

作者簡介：

　　時慶兵(1970-)，男，工程師，主要從事工業電氣與自控系統工程設計、智能建筑電氣設計及應用軟件開發與設計工作。