用并聯(lián)有源濾波器治理變頻器類(lèi)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(chǎn)生諧波的原因和危害，由此提出采用并聯(lián)有源濾波器濾除諧波的方法。并分析了淮化集團甲胺生產(chǎn)線(xiàn)如何采用并聯(lián)有源濾波器,解決因變頻器所導致的諧波問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：變頻器；諧波；濾除；有源濾波器

近年來(lái)，我國變頻調速技術(shù)已經(jīng)取得了相當大的發(fā)展，安徽淮化集團甲胺生產(chǎn)線(xiàn)中含有大量變頻設備，對電能質(zhì)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(guò)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(chǎn)生5、7次等6n±1次諧波，諧波導致?lián)p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(lèi)元器件的影響：

　?。?） 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(chǎn)生共振及噪聲。

　?。?） 電動(dòng)機。諧波電壓在電動(dòng)機短路阻抗上產(chǎn)生的諧波電流和電動(dòng)機負序基波電流一起使設備產(chǎn)生附加銅耗和鐵耗，引起電機發(fā)熱，甚至燒毀，并且在電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)容易發(fā)展成脈動(dòng)干擾力矩，這些力矩產(chǎn)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(dòng)機額定電流的5%～10%。

　?。?） 電容器。諧波可使電容器介質(zhì)損耗增加、發(fā)熱和壽命縮短；大量吸收諧波會(huì )導致電容器過(guò)流，引起熔絲熔斷；電容器與電網(wǎng)電感形成串聯(lián)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(cháng)期工作電流不得超過(guò)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。

　?。?） 電子裝置。諧波電壓可使晶閘管觸發(fā)裝置發(fā)生觸發(fā)錯誤，甚至導致設備故障。諧波也會(huì )對電網(wǎng)音頻控制系統和計算機產(chǎn)生不良影響。

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

2諧波的濾除

　　針對淮化集團這一類(lèi)典型的使用變頻器比較多的企業(yè)，在改善電能質(zhì)量方面通?？刹捎们医?jīng)濟可行的方法是，在企業(yè)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(dòng)型”和“被動(dòng)型”兩類(lèi)。傳統的LC濾波器為“被動(dòng)型”的代表，它結構簡(jiǎn)單，控制方式較容易實(shí)現，不需要很大的經(jīng)濟投入，目前仍有相當多的應用。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，諧波治理技術(shù)的一個(gè)重要趨勢是應用有源電力濾波器，即主動(dòng)型。
有源電力濾波器通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接到主電路中，從主電路中實(shí)時(shí)檢測出諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生一個(gè)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(lián)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(shí)施中便于安裝，在目前得到相當多的應用。圖1為并聯(lián)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(lián)有源濾波器原理

　　并聯(lián)有源濾波器特性不受系統阻抗影響，不會(huì )與電網(wǎng)發(fā)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?？梢酝瑫r(shí)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(jìn)行濾波的缺點(diǎn)，從而保障了良好的濾波效果，可以對系統中的所有負載進(jìn)行綜合治理，性?xún)r(jià)比較為合理。

3并聯(lián)有源濾波器的應用

　　淮化集團甲胺生產(chǎn)線(xiàn)共有2個(gè)低壓配電房NF71變和NF73變，系統主接線(xiàn)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(cháng)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(cháng)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(lián)濾波裝置的安裝點(diǎn)如圖2中所示的A、B、C、D4處。各個(gè)變壓器下負載的運行方式都很類(lèi)似，現以NF71變下的1號變壓器為例進(jìn)行分析。

圖2系統主接線(xiàn)圖

　　該支路的短路容量為35 MVA，圖3為現場(chǎng)測試時(shí)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?？傊C波電流大小為305.9A。系統功率因數在0.92左右。在整個(gè)測試周期中，系統總電流在665.1～1
023.7A之間波動(dòng)，在某些時(shí)段內電流短時(shí)間的變化幅度特別大，這主要是由于生產(chǎn)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(shí)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(chǎn)線(xiàn)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(lián)有源濾波器的。表1為裝置使用前后的現場(chǎng)測試數據。圖4為系統使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器后，電網(wǎng)側電壓畸變圖和電流頻譜圖。

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

表1使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器前后現場(chǎng)測試數據比較

圖4使用ZRAF系列并聯(lián)有源濾波器后電網(wǎng)側電壓畸變圖和電流頻譜圖

4結論


　　淮化集團甲胺生產(chǎn)線(xiàn)因諧波電流影響所導致的各種電氣故障在使用了并聯(lián)有源濾波裝置后得到了明顯改善。并聯(lián)有源濾波裝置針對變頻器類(lèi)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(zhù)變頻器日益廣泛的使用，諧波所造成的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì )的重視，并聯(lián)有源濾波裝置在治理電能質(zhì)量問(wèn)題方面將會(huì )有越來(lái)越多的應用。

收稿日期：2005-07-11

作者簡(jiǎn)介：

　　時(shí)慶兵(1970-)，男，工程師，主要從事工業(yè)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(kāi)發(fā)與設計工作。