变频器谐波治理方案对比

变频器谐波治理方案对比——有源滤波VS无源滤波

领步（北京）电能质量设备有限公司

一、案例项目背景

某陶瓷有限公司是一家研发、生产和销售于一体的现代大型民营建陶企业，公司占地面积约1000余亩，主要生产瓷质哑光砖、瓷质波光砖、瓷质抛光砖、内墙瓷片及产品配件，拥有7200吨压机、进口布料及先进的造料设备，整合国内优质陶土资源，形成功能强大、齐全的智能化生产线。

某陶瓷公司清远工厂一号配电房装设有五台容量为2500Kvar变比10/0.4KV的动力变压器，负载多条包含众多变频设备的陶瓷生产线，因为变频设备为典型的谐波源负载，正常生产运行时产生大量的谐波汇入所在配电系统，经过叠加后进一步馈入10KV高压母线，上级供电部门进行测评后要求企业对超标的谐波进行治理，保证配电系统免受谐波的危害，能够长期稳定安全运行。

某陶瓷公司配电管理部门非常重视，也想借此谐波治理机会为切入点，不仅满足供电部门对高压计量点谐波指标考核的要求，也想能同时消减抑制400V低压负载侧的谐波指标，消除谐波对生产线负载的干扰危害和额外的电能损耗，因此不予考虑仅满足10KV高压计量点谐波考核要求的10KV高压集中治理方式，明确采用400V低压侧谐波治理方式，从源头上消减治理负载运行产生的谐波，全面提升一号电房整个配电系统高低压侧的电能质量，实现消除谐波危害、净化电能质量、补偿无功功率、促进节能降耗的综合目标，因此谐波治理方案也需围绕这个目标

需求来设计。鉴于用户仅提供了一号配电房1#和3#变压器低压母线的谐波测试数据，而五台变压器的容量、变比

和负载类型也很相近，因此本次谐波治理方案就选择1#变压器系统来分析、规划和设计，其他变压器系统的治理方案可以依据此设计进行类推。

二、谐波危害状况分析

随着我国制造业的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高，电力电子技术在电网设备中得到广泛应用，大量的非线性负荷广泛应用在工业、商业和民用电网中，给电网造成的污染问题越来越得到重视。如在一般工业领域使用的变频器、软启动器、中频炉、电弧炉、轧机、电解槽、电镀槽等负荷，商业和民用领域如节能灯、气体灯具、变频空调、电脑、冰箱等，都产生大量的谐波，尤其是近几年在我国节能技术产业的发展过程中出现了各种类型的专用节电装置，这些节电装置采用的均是电力电子控制技术如变频控制和可控硅调压原理，属典型的谐波源，大量使用导致谐波的产生，轻者影响供电质量使制造工艺较为精细的产品质量受到影响，或者由于在节电过程中使用的节电器具产生的谐波导致谐振，而使无功得不到满意补偿甚至不补偿影响节电效果，重者导致电气设备长期发热，降低

使用寿命甚至损坏、火灾，危害电网安全。

而某陶瓷公司生产线负载中的加热窑炉、切割、抛釉、磨边等工序都包含有变频控制和可控硅调压加热装置，这些生产设备就是典型的谐波源负载，无论是谐波产生的理论分析还是同类负载用户的实际测量，这些谐波源负载在生产运行时产生大量谐波流入其所在配电系统是无需置疑的，只是谐波污染严重程度存在差异罢了，某陶瓷公司提供的1#变压器谐波测试数据如下：

从上表谐波电压测试数据可知：1#变压器低压400V母线谐波电压总畸变率达到8.28-9.03%，其中5次和7次为主要特征谐波，畸变率占到总畸变率的85%以上，投入电容补偿装置后功率因数能达到0.93以上，但谐波电压畸变率被放大11%左右。

从上表谐波电流测试数据可知：1#变压器低压400V母线谐波电流总畸变率达到10.36-10.75%，总谐波电流达到312.5-331.5A，其中5次和7次为主要特征谐波，畸变率占到总畸变率的90%以上，5次谐波电流达到301.1-318.2A，7次谐波电流达到79.1-90A，投入电容补偿装置后功率因数能达到0.93以上，但谐波电流畸变率

被放大35%左右，5次和7次谐波电流均被明显放大。

根据上述测试数据，1#变压器低压400V母线无论是谐波电压还是谐波电流都远超出国家谐波标准的安全限值范围，如此高的谐波在配电系统内，不仅导致高压侧谐波严重超标，肯定也会对低压侧生产线负载设备产生谐波干扰和危害，随着运行时间的增加也必然会导致谐波干扰危害问题越来越突出。

三、谐波治理方法对比及预算分析

1、无源滤波、有源滤波方式的比较分析：

目前针对电网谐波问题普遍采用的无源滤波装置，主要是基于谐波源容量较大，产生的谐波较集中的场合，如重工业、冶金、化工、矿山、电气化铁路等行业，通过安装无源滤波装置就地治理提高电网电能质量、补偿无功功率。无源滤波装置因其工作原理简单，运行可靠，操作方便而得到广泛应用，尤其具备谐波治理兼无功补偿的特点而被各类需要滤波和补偿的企业广泛使用，但其70%左右的滤波效果不能达到比较高的滤波标准和静态固定滤波方式不能随负载的变化而调整，使其在工业领域的广泛应用受到一定程度的限制。

有源滤波装置本身作为一个谐波源，通过检测电网中的谐波，迅速产生与检测的谐波相反的谐波，以抵消电网

中的谐波。有源滤波装置动态跟踪电网中不断变化的谐波，实时发出相反的谐波，由于其只针对谐波，因此解决了无源滤波装置可能与电网发生谐振的风险，同时不需要经过复杂的电网阻抗计算，只需估算谐波量，大大减少了设计工作量。采用有源滤波装置有源滤波装置专门检测谐波，治理谐波，而且可以同时针对多次谐波同时滤波，理论滤波率大于90%，有源滤波装置可实现动态全自动实时治理，根据谐波源工作状态决定投切，既可以在谐波源处安装，也可以在变电所低压母线集中治理，不足之处是变频器这类谐波含量比较大的负载投入费用比较大且不能兼顾企业补偿无功的需要而受到一定的限制。

2、本项目中采用无源滤波补偿方式的分析设计

本项目中生产线负载产生的谐波主要为5次和7次谐波，占到总谐波含量的90%以上，因此谐波治理目标主要针对5次和7次谐波来进行，采用固定滤波支路的无源滤波器可以满足这个需求，将5次和7次谐波消减70%左右后，再用无源滤波器的无功补偿功能取代原来放大谐波的电容补偿装置，使系统内的剩余谐波不被放大，谐波电压、谐波电流和功率因数三方面均可得到改善提高，基本能满足消除低压侧谐波危害和高压侧谐波考核的需要。目前1#变压器低压侧配备有三台电容补偿柜，经过设计测算可以对该补偿柜进行技术改造，用滤波电容和滤波电