三次谐波的概念及不良影响

简婷

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

三次谐波的概念及不良影响

       对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，可得到频率为基波整数倍的电量，这些电分量被统称为谐波。其中，频率为基波三倍的电量被称为三次谐波。在社会的高速发展下，民众与社会对于电能的需求量与日俱增，对电能质量的要求也日渐提高。随着种类丰富的电子设备在民众生活中的广泛普及，其中具有非线性负荷特性的电子设备也使电力系统中的电压、电流状态出现了一些改变。在利用傅里叶级数分解分析电压、电流波形时，便会发现 50Hz、220V电力中存在一些150Hz交流的正弦波，即频率50Hz的三倍的“三次谐波"。伴随着科学技术的迅猛发展，非线性负载的数量占比越来越多，其在工作时三次谐波占比较大。这种不良现象除了会增加整体电力系统的耗损，更会致使中性线线负载变大，严重影响电力系统整体的安全性以及稳定性，甚至会引发一系列的安全事故。另外三次谐波使电网出现发热的状况，严重时引发安全事故；对电子元器件日常的使用和运行产生不良影响，致使其产生错误操作；严重缩短电力设施使用寿命。三次谐波不仅仅会产生诸多危害，更会对电网整体的稳定性以及安全性产生严重的不良影响，进而影响民众的日常生产、生活有关活动、行为以及社会的和谐发展。所以，有关部门应当采取合理措施，减少乃至避免三次谐波的危害。

1、谐波治理整体解决方案

（1）有源电力滤波器的工作原理

       有源电力滤波器的工作原理如图1所示，主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。它采用电流型变流器，经连接电抗器接入系统，通过调整交流侧逆变输出电压的瞬时幅值与相位，或直接控制交流侧输出电流，使装置发出或吸收宽频谱无功功率。基于电力电子的有源电力滤波器装置并联于电网中，相当于一个可控的无功及谐波电流源，其无功及谐波电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功及谐波，并且可以实现从感性无功到容性无功的全范围补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。

图1 有源电力滤波器工作原理图

（2）有源电力滤波器的工作原理

       有源电力滤波器采用模块化插拔式设计，集三相不平衡治理、谐波抑制和无功补偿功能为一体，方便运维人员安装拆卸，同时也方便将来用电负荷发生变化扩展补偿容量。

       该有源滤波装置主要特点有以下几个方面：

       1）补偿方式灵活：既可补谐波，又可兼补无功，可对2-51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿，同时可治理三相不平衡问题；

       2）线性补偿，全响应时间≤5ms；

       3）具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控；

       4）采用DSP高速检测和运算的数字控制系统和进口IGBT，功率密度大，可靠性高；

       5）监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控；

       6）标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。

       有源电力滤波器可采用壁挂和整柜方式安装，同时可实现集中和就地治理，如图2所示的产品，给安装、 维护及日后升级带来了便捷，提高了整体的安装效率。

图2 有源电力滤波器产品示意图

2、案例分析

（1）项目背景

       广东某地铁改造项目，系统中负载主要为照明、空调、泵机类、电梯、信号电源、UPS等设备，开关电源的启动瞬间形成电流冲击，和其它设备在运行过程中会对系统产生谐波电流污染。其谐波主要包括3、5、7、9次；不进行合理治理，将对其他电气设备产生危害，如：大量的3次谐波造成中线过热甚至发生火灾；大量谐波造成变压器局部严重过热；继电保护发生误动作等。

（2）治理方案

       根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性直流电源产生，该项目有1#、2#两个配电站，1#配电站有2台800kVA的变压器，2#配电站有2台1000KVA的变压器，分别采用集中治理方案，在每台变压器下加装ANAPF系列有源电力滤波器，由于安装空间有限，选择我司壁挂式有源电力滤波器进行嵌入式安装，1#配电站中#1和#2变压器下安装型号均为ANAPF75-380/BBL，2#配电站中#1和#2变压器下安装均为2台型号为ANAPF60-380/BBL的有源电力滤波器并机使用，保障了整个供电系统的稳定性。

（3）治理效果

图3 治理之前电流波形和各次谐波电流畸变率

图4 治理之后电流波形和各次谐波电流畸变率

       治理前电流波形发生畸变，三相电流畸变率分别为10.8%、11.1%、12.5%；在加装ANAPF系列有源电力滤波器后电流波形趋向正弦波，各次谐波得到抑制，电流畸变率明显降低，三相电流畸变率降至4.0%、4.1%、4.4%。

（4）安装现场

3、结论

       本文主要地铁负载电能质量治理方案的相关内容，通过对地铁电能质量方面出现的问题进行分析，并结合电能质量相应测量数据，给出相应的治理方案。后结合广东某地铁电能质量改造项目案例，并通过现场实际应用证明了滤波器设备的实用性，验证了有源滤波器设备可快速地治理无功及谐波电流，并且解决地铁用电负荷增长带来的电能质量恶化问题，对地铁电子设备、仪器仪表的计量和整体供电能力、安全运行及经济效益具有重要的意义。

参考文献

[1]张美.地铁低压谐波测试及有源滤波器应用分析[M]. 机械化工2019年5月.

[2]企业微电网设计与应用手册.2020.6

[3]安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版

作者简介：简婷，女，本科，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为有源电力滤波器、静止无功发生器、中线安防保护器和混合动态滤波无功补偿装置的应用与技术对接。