摘要：有源滤波设备伴随着越来越高的电能质量需求而快速发展，并取得一定谐波治理效果。
关键词：APF；谐波治理；应用效果
引言
随着工业化进程的加快，以及电力电子设备在公用电网中日益广泛的应用，也给电网和各配电系统带来了额外的负担，严重影响电能质量。抑制谐波和提升功率因数这个需求，也随着电力电子技术、工业智能化的提高应运而生。
1.概述
1.1 电能质量
电能质量，指供电部门和受电端，也就是关口计量表安装处测定的电能质量。对此国家电网制定有高次谐波、频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡、电压波动以及瞬态涌压波动等限制标准【1】。
关于电能质量治理的问题，主要涉及谐波问题和无功功率问题。谐波问题包括畸变、分析谐波源、影响和危害、谐波测量分析方法、谐波的抑制和补尝。无功功率补偿问题包括无功功率理论和负载补偿理论、输电和配电系统中稳态和暂态无功功率控制理论、对受电端的配电系统的影响、各种无功补偿装置、调度和管理【2】。
虽然谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的问题，但两者又有紧密的联系。因为，在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波也影响了负荷和电网的无功功率进而影响功率因数；产生谐波的装置也基本都消耗基波的无功功率，包括各种电力电子装置、电弧炉和变压器等；除此之外，补偿谐波的装置也一定程度上具有补偿基波无功功率的作用。考虑到篇幅有限，本文仅就谐波治理设备探讨对电能质量的治理，而实际工程中，谐波治理设备和无功补偿设备在电能质量中应统一考虑，是否选用。
1.2 谐波治理
谐波，供电系统的谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1) 称为谐波次数。谐波是一种干扰量，使电网受到损害。
谐波源，向电网注入谐波电流或在电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、中频炉、感应炉、荧光灯等。工业企业大量使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、直流传动装置、晶闸管串级调速的电机和冶炼电弧炉等。
下表将直观列出谐波治理的对象和应用领域。
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谐波的危害很多，贯穿整个发电、输电、变电、配电和用电环节。包括利用效率降低、使电气设备过热、产生振动和噪声，使绝缘老化、使寿命缩短；引起电力系统并联或串联谐振；引起保护装置和自动化装置误动作，使电能计量出现混乱；对通信设备和电子设备产生电磁干扰干扰。
2.有源滤波设备
2.1 有源滤波设备的发展和优势
传统的滤波装置是无源的，也就是LC调谐滤波器。这种设备结构简单、一直被广泛使用。然而其补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，且只能补偿固定频率的较低次谐波。在电能的实际使用中，电力需求伴随着很多大功率快速、冲击性、非对称负荷的快速增长，在现代用户系统负荷结构日趋复杂化的发展中，已逐渐不能满足电能质量治理的需要。
由于大中功率的全控型半导体元件的成熟、脉冲宽度调制（PWM）技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测的方法提出，柔性交流输电技术应运而生，有源滤波器设备才得以推广和应用。
所谓“柔性控制”,主要是区别和相对于原来交流电网中的常规“刚性控制”而言。这不仅是由于前者主要依靠电子型技术，后者常是机械型或机电型技术，更重要的差别在于其控制响应的快速性、精确性、连续性、柔韧性、有效性等【3】。
有源滤波器（APF: Active Power Filter）实时跟踪负载电流，由内置高速DSP处理器计算负载电流中的谐波成分和无功分量并形成动态控制策略，通过PWM 信号控制IGBT元件动作，在毫秒（ms）级时间内产生和谐波大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，抵消负载电流中的谐波成分。
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图一 APF原理图
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图二 治理的电流频谱示意图
2.2 产品应用选型
谐波电流计算方式：
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补偿电流是最主要的参数之一。在兼顾无功补偿和三相不平衡后，可从接线方式、工作电压、滤波消除范围、保护方式、通讯模式等进一步选择合适的产品。另外，机械特性应参考项目工况选择合理的安装方式，例如壁挂式、抽屉式、机柜式和柱上式等。
3.治理方案和应用效果分析
3.1 电厂厂区的电能治理
用电淡季，某厂区由于负载过低，变压器处在几乎空载状态，有功功率过小进而导致功率因数较低。电缆较长，使得容性无功返送电网，造成罚款、电能浪费和用电安全。针对此情况该厂投入4台有源滤波器，不同厂区分别安装。使得用电淡季功率因数由0.41提升至0.86，节省的用电费粗略计算约80万元【4】。
3.2 制造厂的电能治理
上海某造船厂，由于各类电焊机、变频器、起吊设备和照明设备，外加系统中的冲击性负荷，这些非线性负荷在生产过程中产生大量的谐波，谐波含量高达30%，功率因数不符合国家电网的要求，若不治理则会造成严重的电能污染引起罚款，且影响其他设备的正常运行，威胁配电系统的安全可靠。
经谐波检测和分析，现场勘查，最终选取集中治理的方案，每台变压器二次母线侧并联一台150A的有源滤波器，自动补偿产生的谐波电流，解决电网冲击型谐波，治理后谐波电流畸变率降至3.4%。
3.3 其他应用
在谐波含量较高、对电能质量治理水平要求高的场所，例如医院、剧院等，经电能质量检测分析后，也会选择静止无功发生器（SVC）和有源滤波器（APF）整柜安装、共同治理的方式，即无功补偿的同时更有效地进行谐波治理。相应的价格水平也偏高【5】。
某些小型冶炼企业，低次谐波含量水平高，高次谐波含量较高，采用LC滤波器和APF并用的方式，在保持性价比的同时一定程度上也降低了谐波畸变率。
4.治理收益总结
谐波治理，可提高供电质量和设备运行的可靠性，防止因设备误动作造成的经济损失；降低用电设备发热、减缓绝缘老化，从而延长设备使用寿命并减少维护费用；减少电网中电容器的谐振可能性，提供用电安全；减少谐波产生的电磁干扰，保证精密仪器、通讯设备和计算机系统正常工作。
除以上效益外，最直观的是将功率因数奖惩机制考虑在内的省电的费用。
在我国大部分地区，凡受电容量在100kVA(kW)及以上的用户均应按国家批准的《功率因数调整电费办法》的有关规定，实行功率因数考核和电费调整。
总电费＝（高峰电度电费＋平段电度电费＋低谷电度电费＋基本电费）×（１±功率因数奖惩率）＋城市建设附加费。
各受电端可根据典型的负荷功率因数表、以及各省份的功率因数管理办法或各国受电协议，进行经济效益评价，明确治理收益和方案。
参考文献
[1] 林海雪,徐静.电能质量国家标准介绍[J].上海电力，2005（3）
[2] 王兆安，刘进军，王跃，杨君等编著《谐波抑制和无功功率补偿》[M] 北京：机械工业出版社，2015.7
[3] 《ReinSci电能质量治理解决方案》南京宁思科技有限公司
[4] 谷佳琪，李欣，李超，王黎明，《电力系统电能质量分析与谐波治理》[J] 电力行业节能，2019.12
[5] 熊小俊，《低压无功补偿与谐波抑制产品应用探讨》[J] 智能建筑电气技术，2019.4
论文作者:赵群
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
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