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浅析谐波危害与三相电压平衡治理
摘要：谐波的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。
关键词： 污染；谐波危害；有源电力滤波器；治理 0 引言
近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加，特别是高压直流输电的运用，使得谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而，无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响，且仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。 1 谐波的产生与危害
由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。
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表1-1 谐波产生源
名 称 所属行业 商业、市政、民用、公用事业、工矿企业等 公用事业、商业、电子、通讯等 交通 制造业 变频装置 UPS、开关电源、逆变电源 地铁、轻轨、充电站（桩） 单（多）晶硅生产设备、中频炉 电弧炉、交流弧焊机、感应加热装置
机械、能源、化工 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。
据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿
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美元！2000年4月10日，晋东南电网因运行方式的需要，220kV霍长线停电检修，220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电，向地区网输送140MW，系统运行正常；20时18分，太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统，引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作，造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故，巴公电厂周波降为45.7Hz，与电网解列44分钟，晋东南11个变电站停电，电气铁道停电20多分钟，电网和用户均受到较大的损失。
谐波所产生的危害如此之严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见表1-2：
表1-2 公用电网谐波电压（相电压）限值
各次谐波电压含有率电网标称电压（kV） 电压总谐波畸变率（%） 奇 次 0.38 6 4.0 10 35 3.0 66 110
（%） 偶 次 2.0 5.0 4.0 3.2 1.6 2.4 1.2 2.0 3
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2 有源电力滤波器
有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。
安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，原理如图2-1所示：
图2-1 ANAPF有源电力滤波器原理图
安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数和报价方案分别见表2-1和表2-2。
表2-1 ANAPF有源电力滤波器技术参数
接线方式 三相三线或三相四线 4
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接入电压 接入频率 全响应时间 开关频率 功能设置 谐波补偿次数 保护类型 冷却方式 噪音 工作环境温度 工作环境湿度 安装场合 海拔高度 进出线方式 防护等级 智能通信接口 安装方式 3×380V ±10% 50Hz ±2% ＜40ms 10kHz 只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功 2-21次 直流过压、IGBT过流、装置过温 强制风冷 ＜ 65dB -10℃～+45℃ ＜85%RH 不凝结 室内安装 ≤1000m（更高海拔需降容使用） 下进下出（根据客户要求） IP20 外加模块 立柜式 150A、200A、250A、300A 抽屉式 补偿电流大小 50A、100A 50A 外形尺寸(mm) (W×D×H) 600×600×1800 800×800×2200 540×570×240 5