電力濾波裝置應用場景有哪些？
2021-08-04
概述
在電力系統(tǒng)中，正常的電壓和電流波形應當是頻率為50Hz的正弦波，但是實際中的波形總有不同程度的畸變（下圖為某案例波形）這就是諧波所致。隨著科學技術的進步和自動化程度的提高，諧波對電力系統(tǒng)和用電設備所造成的危害日趨嚴重。諧波污染已成為阻礙電力技術發(fā)展的重大障礙之一。
1、諧波的產生
電力系統(tǒng)中諧波的產生大致有三種來源：
( 1)來源于發(fā)電機。發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，以及其他一些原因，發(fā)電機多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。
(2)來源于輸配電系統(tǒng)。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器含有鐵心，鐵心具有磁飽和性，鐵心飽和后是非線性的，假如變壓器長期滿負荷或過負荷運行，變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區(qū)段，磁化曲線陡，更易產生諧波。但一般量也不大。
( 3)來源于各種用電設備。主要包括一些電力電子整流設備，變頻裝置，電弧爐、電石爐，氣體放電類電光源等等。據(jù)統(tǒng)計，僅由整流裝置產生的諧波就占電力系統(tǒng)所有諧波的近40%，用電設備產生的諧波是電力系統(tǒng)中最大的諧波源。
2、諧波的主要危害
①. 線路、變壓器損耗增大
應急劇變化的磁通而導致鐵損急劇增加。
②. 諧波會影響表計的計量精度。
從原理上進行分析：諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變?yōu)橹C波發(fā)送到電網中去，因此電能表會將諧波能量當作電量來進行計算，從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會由于高頻率諧波所產生的高頻渦流阻力而變慢。因為在高次諧波嚴重的情況下（例如中頻爐）會嚴重影響電能表的計量精度，導致莫名其妙的丟電現(xiàn)象。
③. 電磁干擾
精密電子設備（包括電子式電能表）會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。比如通訊系統(tǒng)干擾，精密儀器不能正常工作，影響科研、測量、醫(yī)務診斷。
④. 設備損壞
所有接于電網中的設備的損耗都會增加，溫升增加。含有電容器的設備受影響最為嚴重，甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故.
⑤. 電機類負荷由于諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。
⑥. 繼電保護機構可能會由于諧波而產生誤動或拒動故障。
3、諧波的治理
目前治理的措施即在電力系統(tǒng)中外加電力濾波裝置，以阻止諧波源產生的諧波注入電網。
通用的電力濾波裝置分有源濾波和無源濾波兩類。
4、電力濾波的概念
①無源濾波
一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻（調諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術相對成熟，容量大。缺點為諧波濾除率一般只有80％，對基波的無功補償也是一定的。
②有源濾波裝置
有源濾波裝置自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95％以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術還不成熟，所以當前常見的有源濾波容量不超過600kvar。
5、電力濾波裝置的應用
①無源濾波應用于單一諧波的一般用戶。
②有源電力濾波器主要應用于具有變頻裝置、開關電源、整流設備、精密儀器、燈光調制等設備的單位。廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)和機關團體的配電網中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構等。
根據(jù)應用對象不同，有源電力濾波裝置的應用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。
6、主要應用場合類別
1）機場：主控室、計算機房、廣播系統(tǒng)、EIB燈光調光系統(tǒng)等。
2）醫(yī)院：ICU（重癥監(jiān)護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫(yī)學成像室、放療科等。
3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調光設備及其它控制設備的損壞。
4）學校：精密實驗室、機房、網絡中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區(qū)域等。
6）大型商場：解決由于節(jié)能燈大量應用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機中心、營業(yè)部計算機、安防系統(tǒng)等。
8）稅務、工商：大型計算機中心等。
9）廣電、電信機房：移動基站
10）工廠：生產線的PLC、計算機控制設備、高精度機床、PCS系統(tǒng)、計量/稱重系統(tǒng)、制造、冶金行業(yè)等。
11）電視臺：圖像、調光、計算機設備等。
12）現(xiàn)代建筑、綜合樓宇、智能廣場：自動化系統(tǒng)、照明、變頻器、計算機、打印辦公設備、照明系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)。
13）自來水廠
14）污水處理廠
7、結論
諧波治理是電能質量問題的核心內容之一，也是現(xiàn)代電力生產發(fā)展的迫切需要。有源電力濾波器經過二、三十年的發(fā)展已成為補償電力系統(tǒng)諧波及無功功率的重要裝置。目前在實際應用中，并聯(lián)型有源濾波是比較成熟的拓撲結構，是優(yōu)選的方案；串聯(lián)型有源濾波電路在工作時需流過全部的正常負載電流，損耗比較大，而且投切、故障后退出及各種保護電路也比較復雜；串、并聯(lián)型有源濾波當前的主要問題是控制復雜，造價較高。
隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電能質量的要求將不斷提高，利用有源濾波進行電能質量治理有著巨大的市場潛力。特別是在補償諧波、無功功率，以及中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術必將擁有更加廣闊的應用前景。
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在電力系統(tǒng)中，正常的電壓和電流波形應當是頻率為50Hz的正弦波，但是實際中的波形總有不同程度的畸變（下圖為某案例波形）這就是諧波所致。隨著科學技術的進步和自動化程度的提高，諧波對電力系統(tǒng)和用電設備所造成的危害日趨嚴重。諧波污染已成為阻礙電力技術發(fā)展的重大障礙之一。
1、諧波的產生
電力系統(tǒng)中諧波的產生大致有三種來源：
( 1)來源于發(fā)電機。發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，以及其他一些原因，發(fā)電機多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。
(2)來源于輸配電系統(tǒng)。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器含有鐵心，鐵心具有磁飽和性，鐵心飽和后是非線性的，假如變壓器長期滿負荷或過負荷運行，變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區(qū)段，磁化曲線陡，更易產生諧波。但一般量也不大。
( 3)來源于各種用電設備。主要包括一些電力電子整流設備，變頻裝置，電弧爐、電石爐，氣體放電類電光源等等。據(jù)統(tǒng)計，僅由整流裝置產生的諧波就占電力系統(tǒng)所有諧波的近40%，用電設備產生的諧波是電力系統(tǒng)中最大的諧波源。
2、諧波的主要危害
①. 線路、變壓器損耗增大
應急劇變化的磁通而導致鐵損急劇增加。
②. 諧波會影響表計的計量精度。
從原理上進行分析：諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變?yōu)橹C波發(fā)送到電網中去，因此電能表會將諧波能量當作電量來進行計算，從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會由于高頻率諧波所產生的高頻渦流阻力而變慢。因為在高次諧波嚴重的情況下（例如中頻爐）會嚴重影響電能表的計量精度，導致莫名其妙的丟電現(xiàn)象。
③. 電磁干擾
精密電子設備（包括電子式電能表）會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。比如通訊系統(tǒng)干擾，精密儀器不能正常工作，影響科研、測量、醫(yī)務診斷。
④. 設備損壞
所有接于電網中的設備的損耗都會增加，溫升增加。含有電容器的設備受影響最為嚴重，甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故.
⑤. 電機類負荷由于諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。
⑥. 繼電保護機構可能會由于諧波而產生誤動或拒動故障。
3、諧波的治理
目前治理的措施即在電力系統(tǒng)中外加電力濾波裝置，以阻止諧波源產生的諧波注入電網。
通用的電力濾波裝置分有源濾波和無源濾波兩類。
4、電力濾波的概念
①無源濾波
一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻（調諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術相對成熟，容量大。缺點為諧波濾除率一般只有80％，對基波的無功補償也是一定的。
②有源濾波裝置
有源濾波裝置自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95％以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術還不成熟，所以當前常見的有源濾波容量不超過600kvar。
5、電力濾波裝置的應用
①無源濾波應用于單一諧波的一般用戶。
②有源電力濾波器主要應用于具有變頻裝置、開關電源、整流設備、精密儀器、燈光調制等設備的單位。廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)和機關團體的配電網中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構等。
根據(jù)應用對象不同，有源電力濾波裝置的應用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。
6、主要應用場合類別
1）機場：主控室、計算機房、廣播系統(tǒng)、EIB燈光調光系統(tǒng)等。
2）醫(yī)院：ICU（重癥監(jiān)護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫(yī)學成像室、放療科等。
3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調光設備及其它控制設備的損壞。
4）學校：精密實驗室、機房、網絡中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區(qū)域等。
6）大型商場：解決由于節(jié)能燈大量應用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機中心、營業(yè)部計算機、安防系統(tǒng)等。
8）稅務、工商：大型計算機中心等。
9）廣電、電信機房：移動基站
10）工廠：生產線的PLC、計算機控制設備、高精度機床、PCS系統(tǒng)、計量/稱重系統(tǒng)、制造、冶金行業(yè)等。
11）電視臺：圖像、調光、計算機設備等。
12）現(xiàn)代建筑、綜合樓宇、智能廣場：自動化系統(tǒng)、照明、變頻器、計算機、打印辦公設備、照明系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)。
13）自來水廠
14）污水處理廠
7、結論
諧波治理是電能質量問題的核心內容之一，也是現(xiàn)代電力生產發(fā)展的迫切需要。有源電力濾波器經過二、三十年的發(fā)展已成為補償電力系統(tǒng)諧波及無功功率的重要裝置。目前在實際應用中，并聯(lián)型有源濾波是比較成熟的拓撲結構，是優(yōu)選的方案；串聯(lián)型有源濾波電路在工作時需流過全部的正常負載電流，損耗比較大，而且投切、故障后退出及各種保護電路也比較復雜；串、并聯(lián)型有源濾波當前的主要問題是控制復雜，造價較高。
隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電能質量的要求將不斷提高，利用有源濾波進行電能質量治理有著巨大的市場潛力。特別是在補償諧波、無功功率，以及中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術必將擁有更加廣闊的應用前景。
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