淺談電能質(zhì)量問(wèn)題與濾波器的發(fā)展

安科瑞 陳聰

 電能是當(dāng)代主要的能源形式，用電問(wèn)題也日益顯現(xiàn)。如今，用電負(fù)荷日趨復(fù)雜化和多樣化，相應(yīng)的，帶來(lái)的各種靜態(tài)電磁干擾問(wèn)題成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。計(jì)算機(jī)，微處理器電子和電氣設(shè)備被大量使用，這些設(shè)備對(duì)電力系中暫態(tài)問(wèn)題的靈敏程度和對(duì)供電可靠性的依賴程度也變得越來(lái)越高。因?yàn)檫@些問(wèn)題，電能質(zhì)量不可避免成為了如今的電力問(wèn)題的關(guān)鍵。

      電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。理想的電能應(yīng)該是對(duì)稱的正弦波。一些因素會(huì)使波形偏離對(duì)稱正弦，由此便產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題。一方面我們研究存在哪些影響因素會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量問(wèn)題，一方面我們研究這些因素會(huì)導(dǎo)致哪些方面的問(wèn)題，我們要研究如何規(guī)避這些因素，從而使電能接近正弦波。

      電能質(zhì)量?jī)?nèi)容分為兩大類:“穩(wěn)態(tài)"和“暫/瞬態(tài)"。國(guó)標(biāo)中涉及的:諧波、頻率、電壓不平衡度、電壓偏差屬“穩(wěn)態(tài)";電壓波動(dòng)和閃變、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓、電壓驟升、驟降、短時(shí)斷電屬“瞬態(tài)"。

      本篇文章主要討論諧波問(wèn)題及其治理方法。諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50Hz)相同的分量。

      諧波具有以下危害：

1)由于諧波的存在，增加了系統(tǒng)中元件的附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率。大量的3次諧波流過(guò)中線時(shí)，會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

2)諧波影響各種電氣設(shè)備，特別是電機(jī)類設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的影響，首先主要是引起附加損耗，諧波電流流過(guò)電機(jī)和變壓器時(shí)，將會(huì)增加鐵心損耗以及銅損，引起過(guò)熱。諧波損耗對(duì)變壓器的影響通常要大于對(duì)電機(jī)的影響，比如電弧爐變壓器由于熔煉過(guò)程中的電流的劇烈波動(dòng)，造成壽命的明顯縮短。諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的影響其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓。當(dāng)諧波頻率接近電機(jī)的固有振動(dòng)頻率時(shí)，會(huì)引起電機(jī)的強(qiáng)烈

振動(dòng)。這些影響可能縮短電機(jī)壽命，甚至損壞電機(jī)。諧波電流引起的附加損耗通常折算成等值的基頻負(fù)序電流來(lái)進(jìn)行估算。

3)電力系統(tǒng)中電容器的應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致的諧振，是一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題。當(dāng)諧波頻率與輸電系統(tǒng)固有的特征頻率重合時(shí)，可能會(huì)放大諧波分量，產(chǎn)生非常大的電壓和電流。這導(dǎo)致設(shè)備的附加損耗和發(fā)熱，縮短電容器壽命，以致造成設(shè)備故障。大量調(diào)查表明，電容器和與之串聯(lián)的電抗器的燒毀在諧波引起的事故中約占75%。

4)諧波電流除了會(huì)增加繼電器的發(fā)熱和損耗之外，還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作特性改變，以致造成保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)。比如以電磁型電壓繼電器為例，當(dāng)含諧波的畸變電壓作用于繼電器時(shí)，動(dòng)作值總是比繼電器剛好動(dòng)作的基波分量電壓合理值大，即過(guò)電壓繼電器有可能出現(xiàn)拒動(dòng)，而欠電壓繼電器則可能誤功。此外，在動(dòng)態(tài)情況下，如投入空教變壓器時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸波含量很高的勵(lì)磁涌流，造成繼電器誤動(dòng)作而使開(kāi)關(guān)跳閘。

利用設(shè)置作為諧波源的非線性負(fù)荷附近的無(wú)源濾波器(PassiveFilter, PF)即由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的并聯(lián)濾波裝置來(lái)控制諧波電流。通常將產(chǎn)生諧波的負(fù)荷看做是諧波電流源。無(wú)源濾波器的作用是為諧波電流i提供一個(gè)低阻抗的通路或諧振回路，通過(guò)分流非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流來(lái)減少流入電網(wǎng)的諧波電流isH。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，無(wú)源濾波器可分為帶通濾波器(包括單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、三調(diào)諧濾波器)、高通濾波器、C型阻尼濾波器和橋式濾波器等。無(wú)源濾波器具有以下特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低。

缺點(diǎn)：通帶內(nèi)的信號(hào)有損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

      為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的諧波補(bǔ)償問(wèn)題，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的有源濾波器逐漸被廣泛應(yīng)用。有源電力濾波器（Active Power Filter，簡(jiǎn)稱APF）是一種用于動(dòng)態(tài)治理諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。有源濾波器之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源（用以補(bǔ)償主電路的諧波），其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功。

      安科瑞是上海安科瑞電氣股份有限公司的簡(jiǎn)稱，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高科技股份制企業(yè)。公司具有豐富的有源電力濾波器的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在電能質(zhì)量方面致力于服務(wù)客戶，為客戶創(chuàng)造價(jià)值。