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(kuò)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(diào)整等提出了不同的要求。針對重型大負(fù)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(jìn)行了不少設(shè)備改造，變頻調(diào)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(yīng)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(shè)備對電源污染的程度也越來越深，相應(yīng)的對自動控制系統(tǒng)的干擾也越來越強(qiáng)，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(dǎo)體開關(guān)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(gòu)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(shè)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(shè)備、包括變頻器的驅(qū)動對象一電動機(jī)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(dǎo)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(zhì)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(fèi)電網(wǎng)容量，

2.2影響供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)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(fù)荷，在諧波場合下，電容柜無法正常投切，更嚴(yán)重的請況下，電容柜會將電網(wǎng)諧波進(jìn)一步放大。

2.3影響設(shè)備的穩(wěn)定性，尤其是對繼電保護(hù)裝置，危害特大。

2.4諧波的存在會造成異步電動機(jī)效率下降，噪聲增大；使低壓開關(guān)設(shè)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(shè)備的準(zhǔn)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(shè)備的影響：諧波會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，影響正常通信。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)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(zhì)量和確

保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(diào)制(PWM)法采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，在所需要的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)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(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)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(guān)，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(dāng)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(diào)制法

采用PWM,在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)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(jìn)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(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點(diǎn)，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(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)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(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；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(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)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(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)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(shè)備的安全。可采取串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M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(fù)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(jī)燒壞情況，電機(jī)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(jī)直接啟動，用紅色方框圈起來的這些電機(jī)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(jìn)一步說，在電動機(jī)回路上面的其余電動機(jī)目前都存在著嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)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(diǎn)，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(yán)重時會導(dǎo)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(zhì)量分析儀來測試功率補(bǔ)償柜前段和支路大功率變頻器前端的諧波進(jìn)行測試（圖中紅點(diǎn)處）。

4.1率補(bǔ)償柜前端總電壓畸變率6.3%，超過<<電能質(zhì)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(zhì)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(fù)載率75%的情況下測得。（提出變頻器在什么運(yùn)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(zhì)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(zhì)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(yīng)著重考慮從該支路入手進(jìn)行諧波治理，改善整體電網(wǎng)質(zhì)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(jìn)行抑制。

5、有源濾波器的應(yīng)用

5.1、有源濾波器原理：

有源濾波器是單獨(dú)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(fù)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(fù)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(bǔ)償（抵消）----主動濾波。

5.2有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)

與無源濾波器相比，具有以下特點(diǎn)：

5.2.1具有自適應(yīng)功能，實現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償；

5.2.2平衡相位負(fù)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(jìn)行動態(tài)實時跟蹤補(bǔ)償，響應(yīng)快；

5.2.4諧波補(bǔ)償特性不受被補(bǔ)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(bǔ)償對象諧波電流過大，也不會發(fā)生過載；

5.2.6可單獨(dú)補(bǔ)償諧波，也可同時補(bǔ)償諧波與無功。

5.3有源濾波器的應(yīng)用

5.3.1丹佛斯AAF005有源濾波器應(yīng)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(bǔ)償電流-Ih來達(dá)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(dú)控制但不包括3的整數(shù)倍諧波，2次到25次全部諧波補(bǔ)償與功率因數(shù)修正。有源濾波的補(bǔ)償方案為集中補(bǔ)償，在公共耦合點(diǎn)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(diǎn)，類似于Explorer的用戶界面，面向項目，易于多臺變壓器進(jìn)行計算，易于對同一項目內(nèi)的不同諧波解決方案進(jìn)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(jī)的電纜規(guī)格參數(shù)等相關(guān)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(fù)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(jié)果：

根據(jù)Fluke435現(xiàn)場測試結(jié)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(yīng)該安裝在多臺變頻器控制柜的前進(jìn)線端，能對總的諧波電流進(jìn)行實時監(jiān)測，并及時作出相應(yīng)修正。安裝有源濾波器后，我們又一次用Fluke435三相電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行對功率補(bǔ)償柜前段和支路大功率變頻器前端進(jìn)行測試。變頻器運(yùn)行負(fù)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(zhuǎn)，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(yīng)在10.7%以內(nèi)，7次諧波電流畸變率應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，對于0.38kV電網(wǎng)標(biāo)稱電壓來說，電壓總諧波畸變率應(yīng)在5%以下。奇次諧波電壓含有率應(yīng)在4%以下，偶次諧波電壓含有率應(yīng)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(yán)重超出國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過半年多的運(yùn)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(jī)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(zhì)量，而且還能提升功率因數(shù)，從而能夠進(jìn)一步達(dá)到對現(xiàn)場所有用電設(shè)備的保護(hù)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(yīng)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(yīng)用和推廣。

參考資料：

【l】變頻器應(yīng)用手冊，吳忠智吳加林編著，機(jī)械工業(yè)出版社．

【2】電磁兼容性原理與設(shè)計，王定華編著，電子科技大學(xué)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(xué)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