簡述建筑配電網絡諧波的濾波抑制措施

劉玖增

摘 要：濾波器是抑制配電網絡中諧波的主要設備。在現有技術條件下，常用濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩種。前者廣泛使用在工廠，礦業(yè)，冶金工業(yè)等場所，后者在民用，學校，商場，醫(yī)院等有較為廣泛的使用。本文是對諧波的危害，及濾波器使用的原理和狀況進行了探討。

關鍵詞：諧波；濾波器；配電網

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0175-01

1 諧波的危害

諧波是配電網絡中主要危害之一，且日益嚴重，可以使設備加速老化，導線過熱，甚至造成事故。在使用并聯電容器做補償裝置的配電網中，會引發(fā)電容器的串并聯諧振，嚴重的會造成電容器燒毀。據統計，由于諧波引起的電容器故障占電容器總故障的71～83%[2]。

對很多電子設備，特別是過零檢測以基波頻率為基準的設備，諧波的存在會造成過零誤動作。

而照明設備中，諧波的不利影響尤為突出[1]。據統計，電力系統產生的電能中20%左右由照明設備消耗。隨著照明技術的進步和環(huán)保節(jié)能經濟的倡導，傳統照明設備（如白熾燈，普通熒光燈等）由于高耗能，低效率已經漸趨淘汰，取而代之的是普通電子熒光燈，緊湊型熒光燈（CFL，即節(jié)能燈），高壓氣體放電燈（HID燈）和LED燈等新型照明設備。這些照明設備在提高照明質量，改善生活環(huán)境的同時，由于其“非線性照明電路”的特點，也帶來了無法忽視的諧波問題，比如中性線電流過大，導線外皮過熱導致的老化，甚至引發(fā)火災等。因此，抑制諧波的不利影響應該給予高度的重視。

2 濾波器的分類和原理簡述

在實踐中，抑制配電網絡諧波的措施主要是使用濾波器，大致分為兩種：（1）無源濾波器（PF）；（2）有源濾波器（APF）。

（1）無源濾波器（PF）由電容器，電抗器和電阻組成，且和諧波源并聯。通過選擇特定的的電感電容參數，使濾波器的諧振頻率與諧波頻率相等，形成低阻抗通路，則該頻次的諧波電流大部分通過濾波器，從而起到濾除該頻次諧波的作用[1]。

無源濾波器分為單調諧濾波器，雙調諧濾波器，高通濾波器。

1）單調諧濾波器又稱一階單調諧濾波器，它的優(yōu)點是濾波效果好，結構簡單，價格低；缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數的提高，能耗反而會減小，同時又隨著諧波次數的減小而增加。民用建筑配電網絡中，特別是照明電路中正好是低次諧波，主要是2-7次，因此基波損耗較大。二階單調諧濾波器品質因數在50以下時，基波損耗可以減少20-50%，屬于節(jié)能型。三階單調諧濾波器是損耗最小的濾波器，但電路及電器元件組成復雜，投資也高。

2）高通（寬頻）濾波器，一般用于某次及以上的諧波抑制。對于配電網中5次以上諧波，通過調整參數，可以形成對5次及以上諧波的低阻抗通路。

實際中因為各次諧波存在復合疊加的情況，所以通常采用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成一套濾波裝置。無源濾波器（PF）雖然具有成本低，可靠性高等優(yōu)點，但它也具備濾除特定頻次諧波，無法動態(tài)跟蹤諧波并進行濾除，而由于系統結構問題，對于某些次諧波反而會產生放大的特點，甚至會和系統阻抗產生諧振現象。因此適用于大容量且功率因數較低，對諧波要求不高的場合，如鋼鐵，冶金，煤礦等工業(yè)場所。

（2）有源濾波器（APF）是利用可控功率半導體器件，向電網注入與諧波源電流幅值相等，相位相反的電流，使疊加后的電源總諧波電流接近甚至達到零，實現實時補償諧波電流的目的。有源濾波器一般是由動態(tài)監(jiān)控電路和補償電路組成。其中動態(tài)監(jiān)控電路檢測補償對象電流中的諧波和無功分量，根據需要發(fā)出補償電流指令，該指令經補償電流發(fā)生電路放大，和負載電流中要補償的諧波及無功電流相抵消，從而實現有源濾波和無功補償[2][3]。

在濾除效果來看，有源濾波器效果極佳，通?？梢詾V除總諧波的90%甚至95%以上，無源濾波器通常只能達到50%，最高約為70-80%[1]。

如圖1所示，APF（有源濾波器）實時檢測負載側電流中的諧波和無功分量，根據檢測結果實時發(fā)出和諧波電流相位相反，幅值相等的補償電流，與諧波電流相疊加后，消除諧波電流（負載畸變電流），從而實現電網側電流基本為基波電流[3]。

2）有源濾波器的單套容量不超過100KVA，但在無法確定準確容量時，通常先對負載諧波情況進行測量，依據測量的總諧波電流值，再加上30-50%裕量，選擇有源濾波器的實際容量。

3）有源濾波器不易受電網阻抗，頻率變化的影響，維護簡單，體積小，重量輕，濾波效率高，但造價偏高。

4）為了降低成本，也可選用無源濾波器與有源濾波器相結合的混用方案，其中無源濾波器用以濾除含量較大的低次諧波，有源濾波器用以濾除含量較小的高次諧波并進行無功補償。

總的來講，有源濾波器克服了無源濾波器的缺點，同時還可以補償各次諧波，抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點。且不受電網阻抗和電網頻率變化的影響，在配電網絡受到照明等非線性設備的諧波干擾時，是抑制措施的首選。但由于硬件的原因，容量有限，無法在工業(yè)類部門廣泛英語，只適用于電信，醫(yī)院，學校等用電功率較小且諧波頻率較高的單位。

3 結語

隨著時代的發(fā)展，大量非線性用電設備，如LED燈，節(jié)能燈等大量使用的今天，諧波污染日益嚴重，影響配電網絡的供電質量和設備正常使用，由諧波引起的導線發(fā)熱甚至可以引發(fā)火災，所以諧波抑制解決措施尤為關鍵。本文對配電網絡的諧波濾波常用手段，如無源濾波器和有源濾波器進行了探討，并比較了兩者的特點和實際應用狀況。

參考文獻

[1]晏浚博.《民用建筑照明諧波研究》[D].北京建筑大學，2014.

[2]李詠梅.《低壓配電網諧波分析》[D].廣西大學，2005.

[3]上海安瑞電氣股份有限公司.《APF有源電力濾波裝置》[M].2014.endprint