用并联有源滤波器治理变频器类谐波的分析

摘要：文章针对变频器这一特殊谐波源设备，从变频器的工作原理入手，分析了变频器产生谐波的原因和危害，由此提出采用并联有源滤波器滤除谐波的方法。并分析了淮化集团甲胺生产线如何采用并联有源滤波器,解决因变频器所导致的谐波问题。
关键词：变频器；谐波；滤除；有源滤波器

近年来，我国变频调速技术已经取得了相当大的发展，安徽淮化集团甲胺生产线中含有大量变频设备，对电能质量造成较大的干扰，变压器和电机在不同程度上均出现了温度过高和噪声较大的现象，集团公司提出了迫切的治理要求。

1 谐波的危害

　　变频器主要产生5、7次等6n±1次谐波，谐波导致损耗增加和设备寿命缩短。谐波的危害主要体现在对以下几类元器件的影响：

　　（1） 变压器。谐波电压和谐波电流将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。

　　（2） 电动机。谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流一起使设备产生附加铜耗和铁耗，引起电机发热，甚至烧毁，并且在电动机起动时容易发展成脉动干扰力矩，这些力矩产生较大的噪声。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流的5%～10%。

　　（3） 电容器。谐波可使电容器介质损耗增加、发热和寿命缩短；大量吸收谐波会导致电容器过流，引起熔丝熔断；电容器与电网电感形成串联谐振回路，能导致谐波的放大、电容烧毁等。在畸变电压下电容器的电流有效值为：规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。

　　（4） 电子装置。谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产生不良影响。

　　（5） 通信系统。在2.5kHz以下导线间电感电容耦合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰。

2 谐波的滤除

　　针对淮化集团这一类典型的使用变频器比较多的企业，在改善电能质量方面通常可采用且经济可行的方法是，在企业内部的主电路上装设一套谐波滤除装置。滤除谐波的方式按工作原理主要分为“主动型”和“被动型”两类。传统的LC滤波器为“被动型”的代表，它结构简单，控制方式较容易实现，不需要很大的经济投入，目前仍有相当多的应用。随着电力电子技术的快速发展，谐波治理技术的一个重要趋势是应用有源电力滤波器，即主动型。
有源电力滤波器通过串联或并联的方式连接到主电路中，从主电路中实时检测出谐波电流，然后控制逆变电路产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流分量，并注入到主电路中抵消原谐波电流，从而达到滤除谐波的目的。并联有源滤波器因其在谐波治理方面的良好性能以及在工程实施中便于安装，在目前得到相当多的应用。图1为并联有源滤波器的原理框图。　

I_s—系统电流；I_t—检测电流；I_c—补偿电流分量



图1 并联有源滤波器原理

　　并联有源滤波器特性不受系统阻抗影响，不会与电网发生谐振，并具有高度可控性和快速跟踪性，可以适应多台变频器不同步运行的复杂工况。可以同时补偿各次谐波电流，克服了LC滤波器只能针对某次谐波电流进行滤波的缺点，从而保障了良好的滤波效果，可以对系统中的所有负载进行综合治理，性价比较为合理。

3 并联有源滤波器的应用

　　淮化集团甲胺生产线共有2个低压配电房NF71变和NF73变，系统主接线图如图2所示。其中NF71变分别有2台变压器，容量均为1600kVA，电压等级为6.3kV/0.4kV，采用Yyn0连接方式，阻抗电压百分比为4.3%，2台变压器长期单独运行；NF73变也分别有2台变压器，容量均为1250kVA，电压等级为6.3kV/0.4kV，采用Yyn0连接方式，阻抗电压百分比分别为4.4%，2台变压器长期单独运行。4台变压器下的主要负载都是变频器和部分整流设备，这是主要的谐波源。并联滤波装置的安装点如图2中所示的A、B、C、D4处。各个变压器下负载的运行方式都很类似，现以NF71变下的1号变压器为例进行分析。

图2 系统主接线图

　　该支路的短路容量为35 MVA，图3为现场测试时所抓拍的电压畸变图和电流频谱图。从图片可以看出，谐波成分以5次和7次为主，根据测试数据分析出5次谐波电流大小为235.6A（95%概率大值，下同），7次谐波电流大小为161.2A，5次、7次谐波电流均已超出国标值所规定范围。总谐波电流大小为305.9A。系统功率因数在0.92左右。在整个测试周期中，系统总电流在665.1～1
023.7A之间波动，在某些时段内电流短时间的变化幅度特别大，这主要是由于生产工艺对速度、压力等物理量的要求较严格所造成的。对应在这些时段中的谐波电流分量变化也非常地大，这就对滤波装置的快速响应能力提出了较高的要求。　

图3 电压畸变图和电流频谱图

　　淮化集团甲胺生产线改造工程是综合考虑以上各方面因素后选择了上海追日电气有限公司ZRAF系列并联有源滤波器的。表1为装置使用前后的现场测试数据。图4为系统使用ZRAF系列并联有源滤波器后，电网侧电压畸变图和电流频谱图。

　　使用并联有源滤波装置后，系统中的各项电能质量指标均达到考核标准，整个生产线的设备运行稳定，原有的变压器和电机出现的温度过高和噪声较大现象均得到明显改善。

表1 使用ZRAF系列并联有源滤波器前后现场测试数据比较