三次諧波的概念及不良影響

簡婷

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

三次諧波的概念及不良影響

       對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，可得到頻率為基波整數倍的電量，這些電分量被統稱為諧波。其中，頻率為基波三倍的電量被稱為三次諧波。在社會的高速發展下，民眾與社會對于電能的需求量與日俱增，對電能質量的要求也日漸提高。隨著種類豐富的電子設備在民眾生活中的廣泛普及，其中具有非線性負荷特性的電子設備也使電力系統中的電壓、電流狀態出現了一些改變。在利用傅里葉級數分解分析電壓、電流波形時，便會發現 50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波，即頻率50Hz的三倍的“三次諧波"。伴隨著科學技術的迅猛發展，非線性負載的數量占比越來越多，其在工作時三次諧波占比較大。這種不良現象除了會增加整體電力系統的耗損，更會致使中性線線負載變大，嚴重影響電力系統整體的安全性以及穩定性，甚至會引發一系列的安全事故。另外三次諧波使電網出現發熱的狀況，嚴重時引發安全事故；對電子元器件日常的使用和運行產生不良影響，致使其產生錯誤操作；嚴重縮短電力設施使用壽命。三次諧波不僅僅會產生諸多危害，更會對電網整體的穩定性以及安全性產生嚴重的不良影響，進而影響民眾的日常生產、生活有關活動、行為以及社會的和諧發展。所以，有關部門應當采取合理措施，減少乃至避免三次諧波的危害。

1、諧波治理整體解決方案

（1）有源電力濾波器的工作原理

       有源電力濾波器的工作原理如圖1所示，主要由負載電流分離、指令電流調節、輸出電流控制、驅動電路以及主電路組成。它采用電流型變流器，經連接電抗器接入系統，通過調整交流側逆變輸出電壓的瞬時幅值與相位，或直接控制交流側輸出電流，使裝置發出或吸收寬頻譜無功功率。基于電力電子的有源電力濾波器裝置并聯于電網中，相當于一個可控的無功及諧波電流源，其無功及諧波電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償電網系統所需無功及諧波，并且可以實現從感性無功到容性無功的全范圍補償，同時對電網電壓進行動態穩定調節。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

（2）有源電力濾波器的工作原理

       有源電力濾波器采用模塊化插拔式設計，集三相不平衡治理、諧波抑制和無功補償功能為一體，方便運維人員安裝拆卸，同時也方便將來用電負荷發生變化擴展補償容量。

       該有源濾波裝置主要特點有以下幾個方面：

       1）補償方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對2-51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償，同時可治理三相不平衡問題；

       2）線性補償，全響應時間≤5ms；

       3）具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控；

       4）采用DSP高速檢測和運算的數字控制系統和進口IGBT，功率密度大，可靠性高；

       5）監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控；

       6）標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

       有源電力濾波器可采用壁掛和整柜方式安裝，同時可實現集中和就地治理，如圖2所示的產品，給安裝、 維護及日后升級帶來了便捷，提高了整體的安裝效率。

圖2 有源電力濾波器產品示意圖

2、案例分析

（1）項目背景

       廣東某地鐵改造項目，系統中負載主要為照明、空調、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備，開關電源的啟動瞬間形成電流沖擊，和其它設備在運行過程中會對系統產生諧波電流污染。其諧波主要包括3、5、7、9次；不進行合理治理，將對其他電氣設備產生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發生火災；大量諧波造成變壓器局部嚴重過熱；繼電保護發生誤動作等。

（2）治理方案

       根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產生，該項目有1#、2#兩個配電站，1#配電站有2臺800kVA的變壓器，2#配電站有2臺1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機使用，保障了整個供電系統的穩定性。

（3）治理效果

圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率

圖4 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率

       治理前電流波形發生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到抑制，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

（4）安裝現場

3、結論

       本文主要地鐵負載電能質量治理方案的相關內容，通過對地鐵電能質量方面出現的問題進行分析，并結合電能質量相應測量數據，給出相應的治理方案。后結合廣東某地鐵電能質量改造項目案例，并通過現場實際應用證明了濾波器設備的實用性，驗證了有源濾波器設備可快速地治理無功及諧波電流，并且解決地鐵用電負荷增長帶來的電能質量惡化問題，對地鐵電子設備、儀器儀表的計量和整體供電能力、安全運行及經濟效益具有重要的意義。

參考文獻

[1]張美.地鐵低壓諧波測試及有源濾波器應用分析[M]. 機械化工2019年5月.

[2]企業微電網設計與應用手冊.2020.6

[3]安科瑞電能質量監測與治理選型手冊.2019.11版

作者簡介：簡婷，女，本科，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為有源電力濾波器、靜止無功發生器、中線安防保護器和混合動態濾波無功補償裝置的應用與技術對接。