1、引言

發(fā)酵行業(yè)是現(xiàn)代生物工程重要組成部分，特別是制藥、味精、檸檬酸、黃原膠等新型發(fā)酵行業(yè)，近幾年來得到迅速的發(fā)展，由于生產(chǎn)的是原料藥，所以都離不開發(fā)酵罐這一核心，隨著產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷擴大、新工藝的不斷更新和新品種的不斷增加，對發(fā)酵罐的控制方式、攪拌頻率和時段調整等提出了不同的要求。針對重型大負載比較多、耗電量比較大、發(fā)酵周期比較長的情況，近幾年發(fā)酵生產(chǎn)企業(yè)也采取了多種方法，進行了不少設備改造，變頻調速是最好的即能滿足生產(chǎn)工藝要求，又能節(jié)能降耗的方式。變頻器在發(fā)酵罐上的應用日益普及，為發(fā)酵行業(yè)的工業(yè)自動化控制提供了良好的生產(chǎn)及工藝效益。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設備對電源污染的程度也越來越深，相應的對自動控制系統(tǒng)的干擾也越來越強，對電源濾波、凈化，取得相對穩(wěn)定的綠色電源的要求也越來越高。

眾所周知，變頻器是由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。其中整流電路和逆變電路中均使用了半導體開關元件，在控制上則采用的是ＰＷＭ控制方式，這就決定了變頻器的輸入、輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多的高次諧波成分。除能構成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身和其它設備的干擾信號。這些高次諧波成分將會引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，產(chǎn)生無線電干擾電波，它們對周邊的設備、包括變頻器的驅動對象一電動機帶來不良的影響。同時由于變頻器的使用，電網(wǎng)電源電壓中會產(chǎn)生高次諧波的成分，會引導電源波形產(chǎn)生畸形。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質量有著重要的影響。

2、諧波的危害

2.1高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓和諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加線路損耗，浪費電網(wǎng)容量，

2.2影響供電系統(tǒng)的無功補償設備，諧波注入電網(wǎng)時容易造成變電站高壓電容過電流和過負荷，在諧波場合下，電容柜無法正常投切，更嚴重的請況下，電容柜會將電網(wǎng)諧波進一步放大。

2.3影響設備的穩(wěn)定性，尤其是對繼電保護裝置，危害特大。

2.4諧波的存在會造成異步電動機效率下降，噪聲增大；使低壓開關設備產(chǎn)生誤動作；對工業(yè)企業(yè)自動化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性。

2.5諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量

2.6對通信設備的影響：諧波會產(chǎn)生感應電磁場，影響正常通信。因而了解諧波產(chǎn)生的機理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質量和確

保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行有著非常積極的意義。

3、諧波的治理

在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施:

3.1采取脈寬調制(PWM)法采用脈寬調制(PWM)技術，在所需要的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流電壓脈沖，這種方法可以大大抑制諧波的產(chǎn)生。

3.2降低諧波源的諧波含量也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費用。具體方法有:

3.2.1增加整流器的脈動數(shù)

高次諧波電流與整流相數(shù)密切相關，即相數(shù)增多，高次諧波的最低次數(shù)變高，則諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改用12相或24相。當采用12相整流時，高次諧波電流只占全電流的10%，危害性大大降低。

3.2.2脈寬調制法

采用PWM,在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。

3.3在諧波源處吸收諧波電流：

這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種:

3.3.1無源濾波器

無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側，由L、C、R元件構成諧振回路，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄巍５珶o源濾波器存在著許多缺點，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有放大的可能；耗費多、體積大等。因而隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。

3.3.2有源濾波器

與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐，而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術，其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質量的方向發(fā)展。

3.3.3防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調節(jié)電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全。可采取串聯(lián)電抗器，或將電容器組的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。

4、現(xiàn)場配電實際負載情況和存在的問題

在低壓配電系統(tǒng)中經(jīng)常會有電機燒壞情況，電機燒壞位置如下圖：

圖中綠色為變頻器回路，即主要諧波源。其余為電動機直接啟動，用紅色方框圈起來的這些電機曾經(jīng)都在不同時段發(fā)生過故障或出現(xiàn)燒壞現(xiàn)象，紅顏色的箭頭為諧波產(chǎn)生的成分和流向。依照圖中的分析，根據(jù)諧波電流的疊加及其走向，可以非常明確地判斷出其損壞的原因，進一步說，在電動機回路上面的其余電動機目前都存在著嚴重的安全隱患，應盡早加以防范。

在圖中F5變頻器（315KW），也曾經(jīng)發(fā)生過功率模塊炸壞的現(xiàn)象。在變頻器中，整流模塊和逆變模塊是變頻器的核心部件，而它們都有共同的弱點，即過熱原因所帶來的一系列問題。其中諧波電流就是加快溫度上升的原因之一，它會引起變頻器出現(xiàn)溫度報警，嚴重時會導致功率模塊炸毀。

為了驗證以上的理論分析，我們使用Fluke435三相電能質量分析儀來測試功率補償柜前段和支路大功率變頻器前端的諧波進行測試（圖中紅點處）。

4.1率補償柜前端總電壓畸變率6.3%，超過<<電能質量公用電網(wǎng)諧波>>規(guī)定的5%，總的電流諧波為18.2%,根據(jù)<<電能質量公用電網(wǎng)諧波>>，5次諧波電流相對較高。以上數(shù)據(jù)在變頻器負載率75%的情況下測得。（提出變頻器在什么運行工況下測試的？）

4.2支路大功率變頻器前端總電壓畸變率6.5%，超過<<電能質量公用電網(wǎng)諧波>>規(guī)定的5%，總的電流諧波為30.2%,根據(jù)<<電能質量公用電網(wǎng)諧波>>，5次,7次諧波電流相對較高。我們從諧波分布上看，主要諧波源來自支路整體變頻器回路，應著重考慮從該支路入手進行諧波治理，改善整體電網(wǎng)質量。因此為了抑制線路中的諧波成分，目前最有效而徹底的辦法就是通過使用有源濾波器來實時監(jiān)控回路中的諧波成分并及時進行抑制。

5、有源濾波器的應用

5.1、有源濾波器原理：

有源濾波器是單獨的元器件，被選為系統(tǒng)或系統(tǒng)分部的總濾波器。它們的規(guī)格是根據(jù)非線性負荷產(chǎn)生的已知和估計的總諧波電流電平而定的。它們的有效作用是監(jiān)測系統(tǒng)和人工增加“反諧波”，以消除供電網(wǎng)中的諧波。工作原理：實時檢測負載的諧波電流，主動跟蹤產(chǎn)生等幅反相的諧波電流注入電網(wǎng)，實現(xiàn)諧波補償（抵消）----主動濾波。

5.2有源濾波器的優(yōu)點

與無源濾波器相比，具有以下特點：

5.2.1具有自適應功能，實現(xiàn)動態(tài)補償；

5.2.2平衡相位負載并降低閃爍畸變

5.2.3諧波治理效益高，可對不斷變化的各次諧波和無功進行動態(tài)實時跟蹤補償，響應快；

5.2.4諧波補償特性不受被補償系統(tǒng)阻抗的影響，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；

5.2.5即使補償對象諧波電流過大，也不會發(fā)生過載；

5.2.6可單獨補償諧波，也可同時補償諧波與無功。

5.3有源濾波器的應用

5.3.1丹佛斯AAF005有源濾波器應用：

由圖可以看出有源濾波器是流控電流源，主要作用是產(chǎn)生與諧波源諧波電流Ih具有相同的幅值而相位相反的補償電流-Ih來達到消除的目的。AAF005將總體諧波電流減小到3%，將5次到25次的奇數(shù)諧波單獨控制但不包括3的整數(shù)倍諧波，2次到25次全部諧波補償與功率因數(shù)修正。有源濾波的補償方案為集中補償，在公共耦合點并接250A兩臺有源濾波器。1、

諧波軟件模擬分析：

我們采用丹佛斯諧波分析軟件MCT31可以計算Danfoss變頻器和非Danfoss變頻器總的諧波失真。本軟件的計算中包括了各種其他諧波抑制措施（如DanfossAHF/AAF濾波器和12-/18-脈沖整流器）。軟件特點，類似于Explorer的用戶界面，面向項目，易于多臺變壓器進行計算，易于對同一項目內(nèi)的不同諧波解決方案進行比較，全屏視圖，可以生成分析報告等功能，是一款使用便攜的專業(yè)分析軟件。將未使用有源濾波器的數(shù)據(jù)參數(shù)包括變壓器數(shù)據(jù)，變頻器功率和數(shù)量，連接變壓器，變頻器和電機的電纜規(guī)格參數(shù)等相關參數(shù)輸入軟件，最后得出以下數(shù)據(jù)報告（發(fā)酵現(xiàn)場使用2000kVA變壓器，下面有5臺丹佛斯FC302315kW攪拌負載）。 

根據(jù)現(xiàn)

場情況，可以看出未使用有源濾波器電壓畸變率為6.6%，電流畸變率為20.1%，使用丹佛斯有源濾波器AAF005后，電壓畸變率為1.5%，電流畸變率為0.9%。于此同時，我們發(fā)現(xiàn)變壓器的功率因素由原來的0.96提高到0.98。2、實際測試結果：

根據(jù)Fluke435現(xiàn)場測試結果，主要諧波源來自支路整體變頻器回路，因此有源濾波器應該安裝在多臺變頻器控制柜的前進線端，能對總的諧波電流進行實時監(jiān)測，并及時作出相應修正。安裝有源濾波器后，我們又一次用Fluke435三相電能質量分析儀進行對功率補償柜前段和支路大功率變頻器前端進行測試。變頻器運行負載85%左右測得數(shù)據(jù)如下：電流波形對比：

AAF投入前AAF投入后AAF投入之后，波形畸變明顯好轉，整個波形已經(jīng)趨于正弦波，與此同時基波電流有了100A左右的減低。

電壓波形對比：

AAF投入前AAF投入后AAF投入之后，電壓波形原來波峰處的平頂跡象逐漸消失，整個波形已經(jīng)趨于正弦波。

電流諧波畸變率對比：

AAF投入前AAF投入后根據(jù)GB/Z17625.6-2003《電磁兼容諧波電流限制》，規(guī)定5次諧波電流畸變率應在10.7%以內(nèi)，7次諧波電流畸變率應在7.2%以內(nèi)。在AAF投入之前各相5次、7次的諧波畸變率均超出國家標準范圍。AAF投入之后，電流各次諧波畸變率明顯降低，完全符合國家標準要求。電壓諧波畸變率對比：

AAF投入前AAF投入后根據(jù)《GB/T14549-93電能質量公用電網(wǎng)諧波》，對于0.38kV電網(wǎng)標稱電壓來說，電壓總諧波畸變率應在5%以下。奇次諧波電壓含有率應在4%以下，偶次諧波電壓含有率應在2%以下。在AAF投入之前各相電壓總諧波畸變率約為8%左右，嚴重超出國家標準范圍。AAF投入之后，各相電壓總諧波畸變率明顯大幅降低，完全符合國家標準要求。經(jīng)過半年多的運行，可以看出安裝有源濾波器對電壓電流諧波的治理明顯，并且安裝有源濾波器后沒有出現(xiàn)電動機和變頻器損壞現(xiàn)象。6、有源濾波器的發(fā)展從有源濾波器的原理和實例分析，有源濾波器可以有效地降低諧波的畸變率，不僅能改善總體的電能質量，而且還能提升功率因數(shù)，從而能夠進一步達到對現(xiàn)場所有用電設備的保護和高效節(jié)能效果。相信有源濾波器在醫(yī)藥發(fā)酵行業(yè)的應用會越來越廣泛，會逐步成為低壓抑制諧波的主要措施，還將在我國高壓系統(tǒng)得到應用和推廣。

參考資料：

【l】變頻器應用手冊，吳忠智吳加林編著，機械工業(yè)出版社．

【2】電磁兼容性原理與設計，王定華編著，電子科技大學出版社．

【3】電力系統(tǒng)高次諧波，D徐克明，徐云編著，重慶大學出版社

【4】諧波抑制要求及丹佛斯傳動解決方案，Danfoss公司著，Danfoss中國出版