低壓諧波濾波技術(shù)的發(fā)展_secret

1、 12/12低壓諧波濾波技術(shù)的發(fā)展 摘要本文介紹了諧波的產(chǎn)生、危害及諧波標(biāo)準(zhǔn)和負(fù)載諧波的狀況，重點(diǎn)介紹了六種低壓諧波濾波技術(shù)的原理、性能及主要特點(diǎn)，其中后三種是帶創(chuàng)新技術(shù)的新產(chǎn)品，還需進(jìn)一步研究和提高。濾除諧波、凈化電網(wǎng)是利國(guó)利民的好事，希望大家一起來(lái)研究探討，提升我國(guó)諧波濾波技術(shù)水平。一、諧波的產(chǎn)生、危害1、諧波的產(chǎn)生 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)交流變換裝置的廣泛應(yīng)用，特別是靜止變頻器，引起了電網(wǎng)電流、電壓波形的畸變，高次諧波顯著增加，這類靜止變流器產(chǎn)生的高次諧波最為嚴(yán)重，成為電網(wǎng)中的“公害”。 諧波產(chǎn)生的原因：非線性負(fù)荷。

2、線性負(fù)荷電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器、電抗器、電阻器等。非線性負(fù)荷工業(yè)上主要有電弧爐，電機(jī)車，晶閘管變流器，變頻器等，民用主要由家用電器產(chǎn)生，例如PC、TV、空調(diào)機(jī)等。2、諧波的危害：產(chǎn)生電壓、電流畸變，造成的影響 繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作 變壓器損耗增加、發(fā)熱嚴(yán)重 電機(jī)振動(dòng)、噪聲增大 無(wú)功補(bǔ)償電容器燒毀 通訊干擾、損壞通訊設(shè)備 諧振過(guò)電流、過(guò)電壓二、諧波標(biāo)準(zhǔn)及負(fù)載諧波狀況1、電網(wǎng)諧波允許值2、負(fù)載諧波狀況（1）直流晶閘管調(diào)速裝置諧波參數(shù)典型值（2）變頻調(diào)速裝置諧波參數(shù)典型值電壓總諧波畸變率5%，一般低壓負(fù)載還可以滿足，超過(guò)的也不多。電流總諧波畸變率58%，一般低壓負(fù)載都不能滿足，一般低壓電網(wǎng)電流總

3、諧波畸變率為2080%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。三、低壓諧波濾波技術(shù)的發(fā)展消除諧波的方法從源頭上消除諧波不采用有諧波的裝置或負(fù)載，如采用矩陣變頻器、12相以上整流裝置，都可以大大減少或消除諧波。被動(dòng)消除諧波 抑制諧波的方法主要有兩種：一種是減小的方法，即采用無(wú)源濾波器，它是利用L-C諧振特性，形成對(duì)某一頻率的低阻抗特性，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流；二是讓補(bǔ)償裝置提供反相的諧波電流，以抵消變流器所產(chǎn)生的諧波電流，即有源濾波器。1、無(wú)源濾波器組成主要由電容器、電抗器、電阻器串聯(lián)而成。 工作原理及特點(diǎn)濾波器并聯(lián)在含有諧波的電網(wǎng)上，電路根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)和諧波含量，使該濾波器對(duì)基波頻率補(bǔ)償無(wú)功功率，對(duì)諧

4、波呈現(xiàn)低阻抗，從而濾除各次諧波電流。目前實(shí)際使用的濾波裝置中大都采用LC無(wú)源濾波器，它在吸收高次諧波的同時(shí)，還具有改善負(fù)載功率因數(shù)的功能。它的最大特點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)便宜，但這種濾波器還存在一些不足之處。無(wú)源濾波器原理線路圖單通和高通濾波器的阻抗頻率性LC無(wú)濾波器的不足之處：由于參數(shù)變化和調(diào)諧偏移，濾波器阻抗的變化，影響了濾波效果。隨著負(fù)載諧波的增加，可能會(huì)引起濾波器的過(guò)負(fù)荷。根據(jù)諧波次數(shù)的多少，需設(shè)置多個(gè)LC濾波電路，并且與濾波器投入運(yùn)行之后，如果諧波發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生無(wú)功過(guò)補(bǔ)償或諧波過(guò)電流。LC濾波器電路會(huì)因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而發(fā)生與系統(tǒng)并串聯(lián)諧振，從而使供電系統(tǒng)運(yùn)行在不安全狀態(tài)。消耗大量有色金屬，

5、體積大，占地面積大。2、有源濾波器組成主要由控制器、IGBT組成的逆變器、電容器組成。工作原理通過(guò)實(shí)時(shí)地檢測(cè)負(fù)荷電流，并將所測(cè)量的諧波在高性能的控制器中處理，輸出負(fù)荷中諧波信號(hào)，用于控制PWM（脈寬調(diào)制）的IGBT功率模塊，并通過(guò)線路電抗器注入反相位的諧波電流，精確地把諧波電流互相抵消。目前有源濾波器主要由國(guó)外進(jìn)口，主要廠家ABB公司、西門子公司、施耐德公司、諾基亞公司等。國(guó)內(nèi)也有許多公司與高校聯(lián)合開(kāi)發(fā)有源濾波器，已在工業(yè)上試運(yùn)行。有源濾波器工作原理示意圖有源濾波器的特點(diǎn)典型濾波效率：目標(biāo)諧波能濾掉97%?？蔀V去高至50次諧波，可同時(shí)濾去20種諧波。可對(duì)濾波模式編程任選濾波次數(shù)。可產(chǎn)生和控制功

6、率因數(shù)?？删幊谈黜?xiàng)任務(wù)的優(yōu)先次序，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載。閉環(huán)控制的濾波器具有最佳的精度。無(wú)需詳細(xì)的電網(wǎng)分析。易在現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)容。有源濾波器也有缺點(diǎn)，它的最大缺點(diǎn)是價(jià)格高、損耗大。進(jìn)口有源濾波器大約￥30004000元/KVA，國(guó)產(chǎn)有源濾波器大約￥15002000元/KVA；而國(guó)產(chǎn)無(wú)源濾波器大約￥250300元/KVA。有源濾波器損耗大約為本裝置容量的58%，是無(wú)源濾波器損耗的1520倍。3、混合有源濾波器混合有源濾波器由無(wú)源濾波器和有源濾波器組成。有源濾波器性能優(yōu)越，但價(jià)格太高，無(wú)源濾波器雖然存在一定缺點(diǎn)，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，二者有機(jī)結(jié)合，則會(huì)在容量、價(jià)格、工作效率等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。無(wú)源濾波器和有源濾波容量比

7、例，取決于用戶的要求、補(bǔ)償?shù)哪康?、?fù)載諧波的特點(diǎn)而不同，主要諧波采用無(wú)源濾波器，對(duì)其他諧波采用有源濾波器，同時(shí)有源濾波器能改善無(wú)源濾波器性能。一般情況下，無(wú)源濾波器容量占整個(gè)濾波容量的8090%，有源濾波器容量占整個(gè)濾波容量的1020%。下面介紹兩種混合有源濾波器線路圖（1）串聯(lián)型有源濾波器與無(wú)源濾波器并聯(lián)的混合系統(tǒng)（2）并聯(lián)型有源濾波器與無(wú)源濾波器串聯(lián)的混合系統(tǒng)4、智能動(dòng)態(tài)濾波器 智能動(dòng)態(tài)濾波器是針對(duì)無(wú)源濾波器存在的缺點(diǎn)，改進(jìn)后的新型無(wú)原濾波器。智能動(dòng)態(tài)濾波裝置主要包括電能質(zhì)量檢測(cè)儀表它能檢測(cè)電網(wǎng)的各種電參數(shù)及各次諧波數(shù)據(jù)。智能控制器由可編程序控制器PLC和應(yīng)用程序組成，它與電能質(zhì)量檢測(cè)儀表

8、通過(guò)通訊連接，取得實(shí)時(shí)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)?？焖偻肚虚_(kāi)關(guān)由晶閘管過(guò)零投切，無(wú)過(guò)壓、無(wú)涌流。若干組無(wú)功補(bǔ)償/無(wú)源濾波器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)功/諧波測(cè)試參數(shù)計(jì)算出來(lái)，滿足負(fù)載的無(wú)功/諧波含量要求，并留有一定裕量。每回路裝設(shè)電流變送器420 mA電流信號(hào)送至PLC，限制過(guò)電流、諧波放大及諧振。智能動(dòng)態(tài)濾波器電氣原理圖智能動(dòng)態(tài)濾波器運(yùn)行控制方式開(kāi)機(jī)時(shí)，首先電能質(zhì)量檢測(cè)儀檢測(cè)到負(fù)載電流信號(hào)（包括基波電流、無(wú)功電流、諧波電流），根據(jù)諧波量逐級(jí)投入，每次投入時(shí)都會(huì)判斷投入的電容器無(wú)功容量是否檢測(cè)的無(wú)功功率，防止投切振蕩。這可以稱作前饋控制。濾波裝置根據(jù)初始負(fù)載量投入運(yùn)行后，隨著負(fù)載的變動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制。根據(jù)無(wú)功/諧波的變

9、化自動(dòng)投切各回路，以保證系統(tǒng)不過(guò)補(bǔ)、諧波含量最小。智能控制器中還設(shè)置各回路過(guò)流、諧波放大、諧振等應(yīng)急處理程序。智能控制器與電能測(cè)量?jī)x通訊故障時(shí)，還設(shè)置了手動(dòng)控制程序根據(jù)無(wú)功/諧波數(shù)據(jù)手動(dòng)投切各回路。智能動(dòng)態(tài)濾波裝置主要特點(diǎn)1）具有無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波的自動(dòng)控制功能。 采用前饋控制和閉環(huán)控制，以閉環(huán)控制為主。采用無(wú)功功率優(yōu)先控制，盡量減少諧波含量。 2）可以消除諧波電流放大和諧振現(xiàn)象。 檢測(cè)各回路電流，當(dāng)某一回路出現(xiàn)1.2IN電流時(shí),系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行調(diào)正,以減少該回路電流,避免諧波電流放大和諧振現(xiàn)象。 3）解決了諧波濾波、無(wú)功補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制。 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的無(wú)功和諧波量分配各回路無(wú)功電流和諧

10、波電流的比例，并留有一定的裕量，使分組投切時(shí)能使各回路不會(huì)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償和諧波過(guò)電流。4）對(duì)電容器、電抗器可以有效的保護(hù)。 檢測(cè)各回路電流，當(dāng)某一回路出現(xiàn)1.3IN電流時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，保護(hù)該回路電容器、電抗器不會(huì)因過(guò)電流損壞。 5）可以解決三相不平衡的無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波。 可以采用單相單獨(dú)補(bǔ)償和三相補(bǔ)償?shù)姆绞剑部刹捎枚N補(bǔ)償兼有的混合補(bǔ)償?shù)姆绞?，根?jù)系統(tǒng)負(fù)載情況確定。 6、采用晶閘管快速投切。 采用晶閘管過(guò)零投切，無(wú)過(guò)壓、無(wú)涌流，對(duì)電容器、電抗器無(wú)沖擊，壽命延長(zhǎng)。7）相對(duì)以往濾波裝置更節(jié)能。 以往濾波裝置是全部一次投入的，因此在輕載時(shí)，無(wú)功和諧波都比較小，大量的電容器、電抗器投入，增加了

11、系統(tǒng)的損耗。智能動(dòng)態(tài)濾波裝置是按無(wú)功和諧波量分組投切的，因此節(jié)約了電能。 8）智能動(dòng)態(tài)濾波器有效的解決電網(wǎng)無(wú)功/諧波“公害” 智能動(dòng)態(tài)諧波濾波裝置是目前市場(chǎng)前景很好的新產(chǎn)品，它價(jià)格低，技術(shù)性能好，節(jié)能降耗，在國(guó)內(nèi)屬領(lǐng)先水平，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是目前有效的電網(wǎng)凈化設(shè)備，具有很好的社會(huì)效益。 5、多調(diào)諧有源濾波器它是一種基于有源電抗器的新型智能多調(diào)諧有源濾波器。它能通過(guò)控制有源電抗器的控制繞組，可以連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器主繞組在不同頻率下的電感量，使LC串聯(lián)支路對(duì)多次諧波頻率產(chǎn)生諧振，使該支路對(duì)多次諧波阻抗趨于零，將負(fù)載諧波電流濾除?？刂评@組通過(guò)變頻電流源，對(duì)諧波阻抗進(jìn)行控制，使主要諧波阻抗與電容器產(chǎn)

12、生諧振，使該次諧波阻抗趨于零，因而濾除主要諧波電流。一般工業(yè)用戶主要諧波為5次、7次，11次、13次較小。多調(diào)諧有源濾波器由可控電抗器、電容器、多調(diào)諧控制器及檢測(cè)儀表組成。多調(diào)諧控制器由變頻電流源、PLC控制器、諧波電壓、電流檢測(cè)儀表等。多調(diào)諧有源濾波器原理圖多調(diào)諧有源濾波器等效電路圖多調(diào)諧有源濾波器工作原理過(guò)去無(wú)源濾波器考慮電網(wǎng)頻率波動(dòng)、電感制造誤差、電容器制造誤差以及電容量衰減等，濾波支路的諧振頻率偏離額定諧振頻率很遠(yuǎn)，濾波阻抗較大，濾凈度低。有了高精度的檢測(cè)和控制系統(tǒng)作保證，就可以盡可能提高支路諧振頻率，使其趨近250Hz，如249Hz，使其支路諧振阻抗趨于零，最大限度濾除諧波電流。多調(diào)

13、諧有源濾波器它只有一組濾波支路，它能調(diào)諧多組高次諧波，該支路流過(guò)基波無(wú)功電流、5次、7次諧波電流，這個(gè)電流的有效值為各電流平方和再開(kāi)方。多調(diào)諧有源濾波器與混合有源濾波器的比較多調(diào)諧有源濾波器只要一組電容器、一個(gè)可控電抗器和電流源控制器?；旌嫌性礊V波器在無(wú)源濾波器的基礎(chǔ)上，增加有源濾波器，改善無(wú)源濾波器性能。兩者差別多調(diào)諧有源濾波器只有一組電容器，一組可控電抗器和電流源控制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備少、投資省、占地少?；旌嫌性礊V波器有一套無(wú)源濾波器，即多組電容器、電抗器組成的濾波器，還需要一套有源濾波器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多、投資高、占地多。多調(diào)諧有源濾波器主要特點(diǎn)能達(dá)到很好諧波濾波效果，濾凈度可以達(dá)到70

14、85%。能很好消除諧波放大和諧振。特別適合變頻器等特殊負(fù)載，它們功率因數(shù)高、諧波含量大的特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)精度要求較高，對(duì)快速性要求不高。可以用于諧波快速變化系統(tǒng)。多調(diào)諧有源濾波器運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生過(guò)載。能提高設(shè)備利用率，節(jié)約設(shè)備投資，減少設(shè)備體積。能做成定型產(chǎn)品，批量生產(chǎn)。多調(diào)諧有源濾波器通過(guò)耦合隔離，可以用于高壓濾波系統(tǒng)。應(yīng)該是目前性價(jià)比最高的諧波濾波裝置。6、內(nèi)反饋諧波濾波器介紹一款近年在國(guó)際上興起的諧波濾波裝置，是為變頻器VFD生產(chǎn)的從5-1500HP的通用諧波濾波器，并且有成千上萬(wàn)的這種裝置正在美國(guó)、加拿大、澳大利亞、智利、巴西、韓國(guó)和其它國(guó)家運(yùn)用。 它的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、性能好、價(jià)格

15、低，它能將6脈沖變頻器達(dá)到18脈沖的效果。內(nèi)反饋諧波濾波器電氣原理圖從二通道來(lái)解釋內(nèi)反饋諧波濾波器原理基波通道工頻電流從電源流過(guò)線性繞組L1和補(bǔ)償繞組L2，由于流過(guò)L1、L2電流極性相反，基波阻抗減小；諧波通道諧波電流從負(fù)載流過(guò)補(bǔ)償繞組L2和交聯(lián)繞組L3，由于流過(guò)繞組L2、L3電流極性和L1極性相同，使L1諧波阻抗增大，使負(fù)載諧波很難進(jìn)入電網(wǎng)（當(dāng)然背景諧波也很難進(jìn)入負(fù)載）。內(nèi)反饋諧波濾波器主要性能電壓諧波畸變率THDu5%電流諧波畸變率THDi（58）%主電路電壓降4%應(yīng)用內(nèi)反饋諧波濾波器前后的電流波形下面對(duì)諧波源特性進(jìn)行研究?jī)深愔C波源以電流源為主的諧波源在直流側(cè)以大電感為主的，如直流調(diào)速系統(tǒng)；以電壓源為主的諧波源在直流側(cè)以大電容為主的，如交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。這兩類不同特性的諧波源，濾波效果會(huì)有所不同，采取方法也會(huì)有所不同。電流諧波源、電壓諧