ABB提出的FA60低压电网谐波治理方案

1.谐波概述

（1）谐波是什么

谐波是主电网频率的倍数。

电网频率f=50Hz

3次谐波f=50×3=150Hz

5次谐波f=50×5=250Hz

7次谐波f=50×7=350Hz

根据傅里叶（Fourier）定理，任何周期函数可通过一系列无限正弦项来表示，这些正弦项的频率为原始函数频率的整数倍。因此，任意非正弦周期的波形都可以分解为包括基波在内的一系列正弦波分量（见图1），其中基波的频率相当于原始波形的周期，而其他频率为基波频率n倍的谐波成为n次谐波。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。

图1 多种谐波特征表示图

（2）谐波是如何产生的

由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会比较大的背离正弦曲线波形。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备产生的谐波频率仅有5、7、11、13、17、19…次。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3次谐波（150Hz）。在供电网络阻抗（电阻）下，这样的非正弦曲线电流将导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。

一种典型的谐波源：

三相整流设备产生的谐波电流，其谐波次数可按如下公式求得

N=f_n/f₁=K×P±1式中，f_n为谐波电流频率；f₁为基波电流频率；N为谐波次数；K为1，2，3，4，…；P为整流设备的波头数。

例如，6波头的整流器将产生5，7，11，13…次谐波。

其谐波电流值可按如下公式求得

I_n=I₁/N式中，I₁为基波电流值；I_n为N次谐波的电流值，N为谐波次数。

下列是一些产生谐波的非线性负荷：

1）应用于UPS蓄电池充电器等中的静态整流器；

2）用于电动机控制的电力电子设备（交流、直流、变频调速器）；

3）计算机电源；

4）电视机电源；

5）电弧炉；

6）饱和变压器；

7）带有电子镇流器的荧光灯；

8）现代照明系统；

9）焊接装置；

10）感应加热炉；

11）通信设备；

12）机床（CNC）；

13）电子控制机构。

（3）谐波的危害

在电网中谐波会带来如下危害：

1）过热；

2）增加功率损耗；

3）接地故障保护功能失常；

4）遥控系统失常；

5）干扰电子设备；

6）仪表显示错误；

7）控制和继电保护误动作；

8）降低设备使用效率，如荧光灯照度下降，变压器和电缆载流量减少；

9）减少设备使用寿命和维修保养周期；

10）损坏电容器；

11）功率损耗增加；

12）产生附加磁场；

13）变压器、电缆、电动机等设备发热、噪声大、老化加快、寿命缩短；

14）断路器可能误动作等。

（4）谐波对电力变压器的影响

谐波电流使变压器的铜损增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热。谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加。

（5）谐波对电缆的影响

谐波污染会使电缆的介质损耗、输电损耗增大，泄漏电流上升，温升增大，干式电缆的局部放电增加，引发单相接地故障的可能性增加。谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

（6）谐波对电容器的影响

电网中谐波对电容器的影响非常大，严重影响了电容器的使用，造成功率因数无法正常补偿，及降低电容器的使用寿命。对于谐波来说电容器的回路阻抗较低，且与频率成反比，也就造成高频率的谐波会被电容器吸收；另外整个系统会有谐振的危险。

下面是并联谐振（见图2）及串联谐振（见图3），并联谐振谐波源在自身，而串联谐振谐波源来自电网。

图2 并联谐振(www.xing528.com)

图3 串联谐振

谐波引起的电力事故在国内外都屡见不鲜，举例如下：

1989年3月，由于加拿大魁北克电网系统中地磁感应电流，引发系统主变过励磁并产生大量谐波，造成SVC电容器组过负荷，SVC保护动作，系统电压失稳，进而导致整个魁北克电力系统崩溃。

1991年，在意大利阿尔卑斯山地区发生两次类似的电力事故，一次是一个2MW直流驱动的双缆滑雪缆道工程的验收测试，引起电网瘫痪，原因是当地20kV电网容量相对较小，谐波电流引起18%的电压畸变。

在美国，中西部电网也曾发生过负荷事故，因为谐波含量较高，部分导致调速系统故障，虽没有超过额定容量，但仍引起了主变失控。

在国内，20世纪80年代，湖北黄石大冶钢厂在生产过程中由于谐波的影响，引起附近电厂机组剧烈振动。

甘肃白银供电局所属110kV变电站供电气化铁路运行时，由于产生11次谐振，引起110kV母线电压畸变4%左右，11次谐波电压含量达2.2%。另外，谐波引起的开关重燃、继电保护误动作或拒动以及并联电容器鼓肚、爆炸等电力事故更是时有发生。

1993年2月12日，河南某地区曾发生电气化机车产生的谐波“污染”引起220kV线路高频保护误动，导致多条线路跳闸，造成很大的经济损失和不良的社会影响。

2.关于谐波的相关标准和规范

衡量谐波量大小的主要参数总谐波畸变率THD为

IEEE制定了519标准。该标准认定建筑物中其他敏感设备决定了电压畸变可以接受的程度。IEEE519针对不同类型建筑，定义了不同的限制标准（见表1）。

表1 IEEE519总谐波电压畸变标准

国际电工委员会（IEC）在文献中制定了单次谐波电压的兼容水平，即最大容许值。当各次谐波电压低于文献规定的限值时，总的谐波电压畸变不超过8%。该规定兼顾了供电系统与制造商的共同利益。

GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》中规定，公共连接点（PCC）上全部用户向该点注入的谐波电流允许值（见表2）。

表2注入公共连接点的谐波电流允许值

相关参考标准：

1）电气电子工程师协会标准IEEE 519；

2）英国及亚洲标准G5/3；

3）中国标准GB/T 14549—1993；

4）国际电工委员会标准IEC 61000-2-2。

3.谐波的抑制及治理方法

1）增大系统的供电容量和电缆、开关等；

2）变压器以不同的方式连接，如DYn11；

3）尽量减小低次谐波的产生，如用12、24脉冲整流等；

4）并联抗谐波电抗器；

5）调谐式无源滤波器（电容和电抗调谐到相应的频率）；

6）采用电力系统有源滤波器。

虽然方法很多，但是在这些方法中后两种是现在最有效的方法，在电容回路串联电抗器，可以有效地抑制谐波对电容器的影响，电力系统有源滤波器能够最大限度地滤除电力系统中的谐波，而且不受系统的影响。

典型的补偿及有源滤波器的连接如图4所示。

4.应用实例

（1）工程介绍

某电信指挥楼机房供电系统中，主要谐波源为UPS，主要谐波成分为5次、7次、11次、13次、17次、19次等谐波。严重地污染了该供电电网质量，进而对用电设备产生较大危害及用电隐患。

图4 典型的补偿及有源滤波器的连接

根据实际测量及工程经验，及ABB公司有源滤波器选用表，选用滤波方案为，采用三相三线动态滤波器，型号为PQFA-A，以及三相四线动态滤波器PQFK-M10+S10（总滤波有效值为相线425A、中性线600A。

（2）设备运行评估

1）ABB有源滤波器PQF：ABB的电力系统有源滤波器PQF是目前最全面、高效的有源滤波器产品。它可以在2次谐波到50次谐波的范围内，有选择地进行滤波，并且可以设定每一种要滤除的谐波的滤波范围，滤波效率高（通常情况下高达97%）；它采用闭环控制方式，滤波精度高；同时它能提供基于基波的相不平衡补偿和无切换的无功补偿；具备不同的工作模式设定和不同工作状态的自动切换能力。

2）设备运行状况：ABB PQF有源滤波器能够全天候安全稳定地工作，并且不会影响系统中其他设备及电网安全。ABB PQF有源滤波器有自检系统，在其内部发生故障时自动切换旁路，不会给外部系统造成影响。

ABB PQF有源滤波器配备了缓慢保护和快速保护。缓慢保护是根据滤波器的工作强度及编程参数改变滤波器在线工作时的形式，确保滤波器不会过负荷及经常保持最佳滤波效果。快速保护只会在不正常的工作条件情况下启动，它可以确保滤波器工作的准确性。快速保护包括过电压、过电流、IGBT过电流、IGBT过热等保护功能。

3）滤波效果：ABB的PQF有源滤波器能充分满足用户技术要求，滤波器滤波效果完全满足GB/T 14549—1993《电能质量、公用电网谐波》国家标准要求。测量数据分析见表3。

经过对测量数据进行分析对比，表明ABB PQF有源滤波器能充分满足用户技术要求，其具有几大优点：

①ABB的PQF有源滤波器具有极佳的谐波滤波能力。

例如，在PQF投入后，电流总谐波畸变率THD由39.3%降到2.1%，电压总谐波畸变率THD由8.4%降到2.2%，A相5次谐波5th由163.7A降到7.5A，A相11次谐波11th由58.8A降到0.9A。

滤波器滤波效果完全满足合同标定的技术要求及GB/T 14549—1993《电能质量、公用电网谐波》国家标准要求。

②ABB的PQF有源滤波器具有极好的实时性和高效性。

表3 PQF投入前后谐波数据对比

通过附件中滤波效果图，可以看出ABB PQF有源滤波器反应时间极短，实时滤波的效果非常好。

③PQF有源滤波器具有极好的应用灵活性。

对每相各次谐波进行独立监测和滤波，由测量结果看出每相都取得了很好的效果。

5.结束语

通过以上的分析我们知道，谐波作为电力系统的三大公害之一，已经严重的影响了现代电力系统的电能质量；在现代的电力系统中，抑制及有效的清除治理谐波，变得越来越重要了，这不仅仅是为了保证自身系统的安全、稳定运行，同样也减少了向电网中注入谐波，这是一种社会责任。

从上面的实例我们可以看到，在现有的治理谐波的方法中，ABB的有源滤波器PQF能够非常安全、可靠、高效的滤除系统中的谐波。

因此，ABB的有源滤波器PQF是目前最全面、高效的有源滤波器产品，是治理低压电力系统谐波的最佳选择。

（作者：ABB（中国）有限公司 王学会）