无源与有源滤波器

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浅析谐波危害与有源滤波 安科瑞鲍静君

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。

表1-1  谐波产生源

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。上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和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

 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

 表2-2  ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。

 3 有源滤波方案及案例

使用有源电力滤波器进行谐波治理，主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小，但设备数量多、布局分散的场合，比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地补偿。

上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯，另外还有变频空调、电梯等负载，产生了大量的电流谐波，导致变压器容量不足，夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况，严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量，测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变，A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%，远远超于国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生，应采用局部补偿的方法进行治理，型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。

图3-1  治理前电流波形与谐波数据

图3-2  ANAPF局部补偿方案图

 4 谐波治理效果

ANAPF投入运行后，得到如图4-1所示的理想波形和测试数据，相电流最大值从64A降低到47A，N线电流从治理之前的37A降到了5A，实现了三相基本平衡，电流谐波畸变率降低到3.4%以下。同时系统功率因数也从之前的0.87升到了0.99。自从使用ANAPF有源电力滤波器之后，该办公大楼整个冬季没有出现跳闸、烧保险丝的情况，使得变压器的容量得到了充分利用。

图4-1  治理后电流波形与谐波数据

参考文献

[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2]季晓春.有源滤波器的原理和选型计算.

[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.

抑制数据中心谐波放大及分布式治理策略  安科瑞鲍静君

摘要：本文主要以某大型数据中心谐波治理为例，阐述数据中心谐波产生的原因和相应的有源电力滤波器谐波治理策略。

关键词：智慧能源；UPS；电压谐波；谐波放大；APF

1、引言

    在实际工程应用中不难发现，由于电力输配电设施老化、设计不良和供电不足等原因造成末端电压过低，前端电压过高，这对电压要求较高的精密设备造成了很大的威胁。据统计当前公用电网影响用户用电设备的问题主要有电压闪变、谐波干扰、电网噪音、频率漂移、过电压、欠电压、断电及间断等现象。以上问题不可能在短时间内做出解决，比较现实的解决途径是在电网和用电设备之间插入一个二次供电设备，实现局部高品质的供电环境。一般常用的设备为不间断电源系统UPS，它在我国的应用已经非常普遍，广泛应用于互联网、数据中心、银行清算中心、证券交易中心、民航和铁路的控制中心、监控系统等等核心用电部门。但是由于UPS属于电力电子设备，正常工作的时候也会产生谐波电流，由于UPS拓扑结构的不同产生的谐波电流频次和谐波有效值有很大的差异，本文就以大型数据中心的UPS为例，合理分析谐波电流频次，采用分布式治理的方法，有效抑制谐波电流放大，优化电能质量，提高设备用电效率。

2、谐波电压对电网的影响

2.1  谐波电压对配电系统的影响

    一般来说理想的交流电源是纯正弦波形，纯正弦的交流电压加在线性负载两端，会产生纯正弦的交流电流。但是纯正弦的交流电压加在非线性负载两端，会产生失真的交流电流，同时导致纯正弦交流电压失真。失真的交流电压无论加在线性负载或非线性负载两端，都会产生失真的交流电流。

图 1 某数据中心配电系统测量示意图（无功柜未投入）

    如图 1所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，两边电容柜没有投入运行，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在。

2.2  谐波电压对滤波装置的影响

    有源电力滤波器从拓扑结构上分为串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。目前市场上的有源电力滤波器几乎都属于并联型，并联型有源电力滤波器主要原理是通过互感器采集被补偿负载的电流，通过计算分析提取出负载电流的谐波成分，有源电力滤波器被动输出反向的谐波电流来抵消系统中的谐波电流，达到谐波补偿目的。

图2 某数据中心配电系统测量示意图（增加APF）

    如图2所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压，开启APF2补偿后，测量点M2处谐波电压和谐波电流有效值减小；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在，单独开启APF1，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值没有变化，单独开启APF2，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值同时减小。

    上述测试中有一种情况比较特殊，在同时运行1#主变和2#主变，单独开启APF1进行补偿时，虽然滤波器有谐波电流输出，但是测试点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值并没有减小，测量1#主变下线性负载上的电流谐波有效值，有明显的放大现象。这说明2#主变下非线性负载引起谐波电流失真，导致10KV段电压失真，失真的电压加在1#主变的线性负载两端，使M1点出现了谐波电流和谐波电压。虽然APF1对线性负载的谐波电流进行了补偿，但M1点的谐波电流和谐波电压不会改变，相对于APF1并线点的网侧谐波电流和谐波电压有效值不变，负载侧谐波电流有效值增大。因此，并联型有源电力滤波器并不能有效滤除电压谐波引起的电流谐波，相反，会使负载侧谐波电流变的更大。

3、谐波分布式治理

    工程中往往谐波的产生是多方面的，非线性负荷引起的谐波、背景谐波、补偿装置谐波放大等等现象，都是引起谐波产生的重要因素。

图3 中国银行某数据中心配电系统图

    如图3所示，是中国银行某数据中心的配电一次图，正常运行时联络柜中母联断路器始终保持断开状态，T1变压器和T2变压器下负载全是12脉冲整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,两台变压器所带负载基本一致，前期APF1和APF2没有投入运行，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图4和图5所示：

图4补偿前谐波电压波形及畸变率

图5 补偿前谐波电流波形及有效值

    从上图中可以看出，12脉冲整流型UPS输入侧谐波电流应该是以11次和13次为主，但实际侧量发现明显5次、7次谐波非常大。通过对UPS故障排查发现由于12脉冲整流器使用可控整流方式，上下整流桥调相角度不一致或上下桥直流输出带载不对称等原因造成了UPS输入端5次、7次谐波并没有完全抵消，这些没有抵消的5次、7次谐波经过11次滤波器时谐波被放大，这就出现了我们看到的图4和图5的情况。

    为了滤除现场谐波电流，主动断开所有UPS的11次谐波滤波器滤波支路，增大APF滤波容量，考虑使用APF补偿UPS产生的所有谐波频次。UPS谐波滤波器改造完成后，同时运行APF1和APF2，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图6和图7所示：

图6 补偿后谐波电压电流波形

图7 补偿后谐波电压电流有效值

    以上数据满足GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》的相关限值。通过对现场系统和负荷特性的了解，分析负荷故障原因，避免了UPS自带无源滤波器与UPS间的并联谐振，抑制电流谐波放大；采用分布式补偿方案，避免变压器间电压畸变引起的电流畸变，从而有效的滤除UPS产生的谐波电流，解决了现场谐波对公用电网的污染问题。

4、结束语

    本文分析了数据中心主要负荷UPS谐波产生的主要原因、UPS内部无源滤波原理、谐波电压和谐波电流间的互相关系以及在工程项目中如何判断谐波引起的故障，并提出解决方案，抑制谐波电流的放大，采用合理的补偿策略，最终达到滤除谐波污染的目的。得出结论：

    1.UPS的谐波主要是由相控整流功率器件引起的；

    2.12脉冲整流型UPS上下桥调相角或带载不对称时，输入端11次谐波滤波器会与UPS未抵消的5次、7次谐波电流产生谐振，放大5次、7次谐波电流；

    3.有源电力滤波器APF并不适用于谐波电压（背景谐波）引起的谐波电流滤波场合；

    4.电能质量优化工程项目中，了解现场负荷特性、分析故障根本原因，是解决工程项目谐波治理的必要条件。

文章来源：《电气时代》2017年12期。

参考文献：

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