1、引言

发酵行业是现代生物工程重要组成部分，特别是制药、味精、柠檬酸、黄原胶等新型发酵行业，近几年来得到迅速的发展，由于生产的是原料药，所以都离不开发酵罐这一核心，随着产品产量的不断扩大、新工艺的不断更新和新品种的不断增加，对发酵罐的控制方式、搅拌频率和时段调整等提出了不同的要求。针对重型大负载比较多、耗电量比较大、发酵周期比较长的情况，近几年发酵生产企业也采取了多种方法，进行了不少设备改造，变频调速是最好的即能满足生产工艺要求，又能节能降耗的方式。变频器在发酵罐上的应用日益普及，为发酵行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断提高，自动化设备对电源污染的程度也越来越深，相应的对自动控制系统的干扰也越来越强，对电源滤波、净化，取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。

众所周知，变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是ＰＷＭ控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多的高次谐波成分。除能构成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其它设备的干扰信号。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象一电动机带来不良的影响。同时由于变频器的使用，电网电源电压中会产生高次谐波的成分，会引导电源波形产生畸形。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。

2、谐波的危害

2.1高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加线路损耗，浪费电网容量，

2.2影响供电系统的无功补偿设备，谐波注入电网时容易造成变电站高压电容过电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜无法正常投切，更严重的请况下，电容柜会将电网谐波进一步放大。

2.3影响设备的稳定性，尤其是对继电保护装置，危害特大。

2.4谐波的存在会造成异步电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。

2.5谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量

2.6对通信设备的影响：谐波会产生感应电磁场，影响正常通信。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确

保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。

3、谐波的治理

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施:

3.1采取脉宽调制(PWM)法采用脉宽调制(PWM)技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。

3.2降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有:

3.2.1增加整流器的脉动数

高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或24相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。

3.2.2脉宽调制法

采用PWM,在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

3.3在谐波源处吸收谐波电流：

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种:

3.3.1无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

3.3.2有源滤波器

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

3.3.3防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

4、现场配电实际负载情况和存在的问题

在低压配电系统中经常会有电机烧坏情况，电机烧坏位置如下图：

图中绿色为变频器回路，即主要谐波源。其余为电动机直接启动，用红色方框圈起来的这些电机曾经都在不同时段发生过故障或出现烧坏现象，红颜色的箭头为谐波产生的成分和流向。依照图中的分析，根据谐波电流的叠加及其走向，可以非常明确地判断出其损坏的原因，进一步说，在电动机回路上面的其余电动机目前都存在着严重的安全隐患，应尽早加以防范。

在图中F5变频器（315KW），也曾经发生过功率模块炸坏的现象。在变频器中，整流模块和逆变模块是变频器的核心部件，而它们都有共同的弱点，即过热原因所带来的一系列问题。其中谐波电流就是加快温度上升的原因之一，它会引起变频器出现温度报警，严重时会导致功率模块炸毁。

为了验证以上的理论分析，我们使用Fluke435三相电能质量分析仪来测试功率补偿柜前段和支路大功率变频器前端的谐波进行测试（图中红点处）。

4.1率补偿柜前端总电压畸变率6.3%，超过<<电能质量公用电网谐波>>规定的5%，总的电流谐波为18.2%,根据<<电能质量公用电网谐波>>，5次谐波电流相对较高。以上数据在变频器负载率75%的情况下测得。（提出变频器在什么运行工况下测试的？）

4.2支路大功率变频器前端总电压畸变率6.5%，超过<<电能质量公用电网谐波>>规定的5%，总的电流谐波为30.2%,根据<<电能质量公用电网谐波>>，5次,7次谐波电流相对较高。我们从谐波分布上看，主要谐波源来自支路整体变频器回路，应着重考虑从该支路入手进行谐波治理，改善整体电网质量。因此为了抑制线路中的谐波成分，目前最有效而彻底的办法就是通过使用有源滤波器来实时监控回路中的谐波成分并及时进行抑制。

5、有源滤波器的应用

5.1、有源滤波器原理：

有源滤波器是单独的元器件，被选为系统或系统分部的总滤波器。它们的规格是根据非线性负荷产生的已知和估计的总谐波电流电平而定的。它们的有效作用是监测系统和人工增加“反谐波”，以消除供电网中的谐波。工作原理：实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流注入电网，实现谐波补偿（抵消）----主动滤波。

5.2有源滤波器的优点

与无源滤波器相比，具有以下特点：

5.2.1具有自适应功能，实现动态补偿；

5.2.2平衡相位负载并降低闪烁畸变

5.2.3谐波治理效益高，可对不断变化的各次谐波和无功进行动态实时跟踪补偿，响应快；

5.2.4谐波补偿特性不受被补偿系统阻抗的影响，不会与系统发生谐振；

5.2.5即使补偿对象谐波电流过大，也不会发生过载；

5.2.6可单独补偿谐波，也可同时补偿谐波与无功。

5.3有源滤波器的应用

5.3.1丹佛斯AAF005有源滤波器应用：

由图可以看出有源滤波器是流控电流源，主要作用是产生与谐波源谐波电流Ih具有相同的幅值而相位相反的补偿电流-Ih来达到消除的目的。AAF005将总体谐波电流减小到3%，将5次到25次的奇数谐波单独控制但不包括3的整数倍谐波，2次到25次全部谐波补偿与功率因数修正。有源滤波的补偿方案为集中补偿，在公共耦合点并接250A两台有源滤波器。1、

谐波软件模拟分析：

我们采用丹佛斯谐波分析软件MCT31可以计算Danfoss变频器和非Danfoss变频器总的谐波失真。本软件的计算中包括了各种其他谐波抑制措施（如DanfossAHF/AAF滤波器和12-/18-脉冲整流器）。软件特点，类似于Explorer的用户界面，面向项目，易于多台变压器进行计算，易于对同一项目内的不同谐波解决方案进行比较，全屏视图，可以生成分析报告等功能，是一款使用便携的专业分析软件。将未使用有源滤波器的数据参数包括变压器数据，变频器功率和数量，连接变压器，变频器和电机的电缆规格参数等相关参数输入软件，最后得出以下数据报告（发酵现场使用2000kVA变压器，下面有5台丹佛斯FC302315kW搅拌负载）。 

根据现

场情况，可以看出未使用有源滤波器电压畸变率为6.6%，电流畸变率为20.1%，使用丹佛斯有源滤波器AAF005后，电压畸变率为1.5%，电流畸变率为0.9%。于此同时，我们发现变压器的功率因素由原来的0.96提高到0.98。2、实际测试结果：

根据Fluke435现场测试结果，主要谐波源来自支路整体变频器回路，因此有源滤波器应该安装在多台变频器控制柜的前进线端，能对总的谐波电流进行实时监测，并及时作出相应修正。安装有源滤波器后，我们又一次用Fluke435三相电能质量分析仪进行对功率补偿柜前段和支路大功率变频器前端进行测试。变频器运行负载85%左右测得数据如下：电流波形对比：

AAF投入前AAF投入后AAF投入之后，波形畸变明显好转，整个波形已经趋于正弦波，与此同时基波电流有了100A左右的减低。

电压波形对比：

AAF投入前AAF投入后AAF投入之后，电压波形原来波峰处的平顶迹象逐渐消失，整个波形已经趋于正弦波。

电流谐波畸变率对比：

AAF投入前AAF投入后根据GB/Z17625.6-2003《电磁兼容谐波电流限制》，规定5次谐波电流畸变率应在10.7%以内，7次谐波电流畸变率应在7.2%以内。在AAF投入之前各相5次、7次的谐波畸变率均超出国家标准范围。AAF投入之后，电流各次谐波畸变率明显降低，完全符合国家标准要求。电压谐波畸变率对比：

AAF投入前AAF投入后根据《GB/T14549-93电能质量公用电网谐波》，对于0.38kV电网标称电压来说，电压总谐波畸变率应在5%以下。奇次谐波电压含有率应在4%以下，偶次谐波电压含有率应在2%以下。在AAF投入之前各相电压总谐波畸变率约为8%左右，严重超出国家标准范围。AAF投入之后，各相电压总谐波畸变率明显大幅降低，完全符合国家标准要求。经过半年多的运行，可以看出安装有源滤波器对电压电流谐波的治理明显，并且安装有源滤波器后没有出现电动机和变频器损坏现象。6、有源滤波器的发展从有源滤波器的原理和实例分析，有源滤波器可以有效地降低谐波的畸变率，不仅能改善总体的电能质量，而且还能提升功率因数，从而能够进一步达到对现场所有用电设备的保护和高效节能效果。相信有源滤波器在医药发酵行业的应用会越来越广泛，会逐步成为低压抑制谐波的主要措施，还将在我国高压系统得到应用和推广。

参考资料：

【l】变频器应用手册，吴忠智吴加林编著，机械工业出版社．

【2】电磁兼容性原理与设计，王定华编著，电子科技大学出版社．

【3】电力系统高次谐波，D徐克明，徐云编著，重庆大学出版社

【4】谐波抑制要求及丹佛斯传动解决方案，Danfoss公司著，Danfoss中国出版