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摘要：本文介绍了谐波产生的原因、危害及谐波治理的一般方法，重点介绍了目前谐波治理比较先进的动态无功补偿及谐波治理装置在变频绞车中的应用。关键词：变频器无功补偿谐波治理
Abstract: this paper introduces the causes of harmonic harmonic governance, harm and the general method, introduced the current harmonic governance more advanced dynamic reactive power compensation and harmonic treatment devices in the application of frequency conversion winch.
Keywords: inverter harmonic governance reactive compensation
中图分类号：TN773 文獻标识码：A
随着变频技术的日趋成熟，变频器逐步应用到了矿井提升机领域，因其节能效果显著、调节方便维护简单，而得到广泛应用，在人们享受它便捷的同时，变频器带来的干扰问题受到越来越多的技术人员关注。由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，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、谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。
1、谐波产生的原因
从结构来看，我公司绞车所使用的变频器为间接变频，间接变频即将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流，这种变频器大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，它从电网中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。我们通过使用电能质量分析仪对井下变频绞车进行测量，通过测量分析数据得出结论为：在绞车启动与停止时电流畸变率较大，并伴有谐波出现，而且在绞车下放时有电能反馈现象，此时电流畸变率较复杂，畸变率高。电压畸变率普遍在9%左右。谐波含量情况为奇次谐波含量稍微偏大，体现在5、7、11、13、21、23等谐波次数。
2、谐波的危害
变频器对公用电网和其它系统的危害大致有：
（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。
对于变频绞车而言，由于绞车频繁启动、周期性冲击负荷以及采用硅整流装置对电网造成的无功冲击和高次谐波污染等危害不仅危及电网安全，同时也造成绞车过电流、欠电压等紧停故障的发生，影响了矿井生产。
3、谐波治理一般方法
治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽，隔离，接地及滤波等技术手段；治理主要采用的是无源滤波装置和有源滤波器。
（1）无源滤波装置。主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。
（2）有源电力滤波器。这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵消网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。
4、动态无功补偿及谐波治理装置（SVG）
SVG是基于可关断大功率电力电子器件实现的动态无功补偿和谐波治理装置。通过大功率电力电子器件IGBT实现无功能量的变换。装置由控制电路、功率电路以及散热系统组成；控制电路基于可编程逻辑阵列FPGA设计，实现对功率电路及外围电路的全数字化控制；散热系统保证整个装置的功率损耗产生的热量及时散出。通过实时检测电网的三相电压和电流，然后由控制系统实时计算要补偿的无功电流和谐波电流，控制器根据指令产生控制IGBT的PWM信号，从而装置产生要补偿的无功电流和谐波电流。
SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
(2)系统结构
SVG装置结构图
装置由连接电抗器、软起控制部分、功率单元和控制器部分组成，装置的组成见下表。
SVG装置的组成
内容 作用
1 一次系统 ① 电抗器 连接装置输出与660V母线系统
② 软起控制部分 SVG启动充电控制
③ 功率单元 SVG的功率单元
2 二次系统 ①控制器 SVG装置控制、运行状态监测和异常保护
② 传（互）感器 强弱系统信号隔离
③ 二次控制电源 控制系统电源
3 辅助部分 ①风冷系统 SVG系统功率单元冷却
②光纤连接系统 SVG控制器和功率单元信号连接
（3）SVG装置的功能
SVG装置能够针对波动变频绞车波动负载进行快速有效的动态无功补偿，可减小电网电压波动、消除电压闪变，补偿负荷电流谐波、消除电压畸变、消除电网三相电流不平衡，提高了电压侧功率因数、节省电能，在有效改善电能质量同时可节省电费开支。
（4）SVG装置的特点
1）无功补偿与谐波治理在一套装置中完美结合；
2）可补偿变频绞车启停瞬间冲击无功；
3）采用了DPWM调制方法，使IGBT模块的开关损耗降低1/3；
4）控制器的核心采用大规模可编程逻辑阵列FPGA，控制器的处理速度快，计算能力强、配置灵活；
5）采用光纤隔离技术，把PWM信号和模拟信号由电信号转换为光信号，然后由光纤传输，避免信号干扰，提高可靠性；
6）具有完备的保护功能，在短路和过流时保护IGBT不损坏；当电网发生短路、断路、散热系统发生故障时均有相应的保护措施，并能显示详细故障信息，保护动作迅速而可靠；
7）装置中没有电容等储能器件，工作时不会产生电弧，比起电容型无功补偿装置，防爆性能优越。
（5）使用效果
过安装前后，电能质量测试各参数，电流主要谐波明显减小，电流总畸变率将至15.87，电压总畸变率将至0.91。根据运行情况看，电网供电质量显著提高。此项技术经过工业性能试验，表明经济是合理的，控制技术是先进的，安全上是可靠的，取得了显著的经济效益和社会效益。
1）经济效益分析
①SVG的投入运行提高功率因数，节约电费开支，安装SVG装置后，平均功率因数可以提高到0.95-1之间，经济效益显著。
②S VG装置以有源滤波的方式补偿电流谐波，补偿效果大大优于无源滤波的方式，使矿井低压电网谐波含量低于国家标准，同时完全避免了无源滤波带来的与电网发生谐振的危险。
③使用SVG装置可以校正煤矿三相不平衡电流，使三相电流不平衡度 3％，消除负序电流给传动设备和变压器带来的损耗和危害，可有效提升煤矿生产的安全性。
④电网投入使用SVG装置后可把电压波动减小到1％以内，并可以完全消除电压闪变，能够避免电压波动和电压闪变给用电设备带来的危害，提高传动设备的工作效率，节约电能。
2）社会效益分析
SVG的投入保障了煤矿井下电网的电能质量，提高了供电的可靠性，减少用电设备的故障停机，减轻了煤矿井下工人的劳动强度，改善了井下工作环境。
结束语：通过实际应用证明，SVG装置相比其他补偿装置，具有运行稳定，响应速度快，运行损耗少，特别适合煤矿变频绞车上使用。SVG做为一种新型的无功补偿及谐波治理产品，代表电能质量领域的未来和技术发展方向，具有广阔的推广应用前景。
Abstract: this paper introduces the causes of harmonic harmonic governance, harm and the general method, introduced the current harmonic governance more advanced dynamic reactive power compensation and harmonic treatment devices in the application of frequency conversion winch.
Keywords: inverter harmonic governance reactive compensation
中图分类号：TN773 文獻标识码：A
随着变频技术的日趋成熟，变频器逐步应用到了矿井提升机领域，因其节能效果显著、调节方便维护简单，而得到广泛应用，在人们享受它便捷的同时，变频器带来的干扰问题受到越来越多的技术人员关注。由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，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、谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。
1、谐波产生的原因
从结构来看，我公司绞车所使用的变频器为间接变频，间接变频即将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流，这种变频器大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，它从电网中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。我们通过使用电能质量分析仪对井下变频绞车进行测量，通过测量分析数据得出结论为：在绞车启动与停止时电流畸变率较大，并伴有谐波出现，而且在绞车下放时有电能反馈现象，此时电流畸变率较复杂，畸变率高。电压畸变率普遍在9%左右。谐波含量情况为奇次谐波含量稍微偏大，体现在5、7、11、13、21、23等谐波次数。
2、谐波的危害
变频器对公用电网和其它系统的危害大致有：
（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。
对于变频绞车而言，由于绞车频繁启动、周期性冲击负荷以及采用硅整流装置对电网造成的无功冲击和高次谐波污染等危害不仅危及电网安全，同时也造成绞车过电流、欠电压等紧停故障的发生，影响了矿井生产。
3、谐波治理一般方法
治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽，隔离，接地及滤波等技术手段；治理主要采用的是无源滤波装置和有源滤波器。
（1）无源滤波装置。主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。
（2）有源电力滤波器。这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵消网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。
4、动态无功补偿及谐波治理装置（SVG）
SVG是基于可关断大功率电力电子器件实现的动态无功补偿和谐波治理装置。通过大功率电力电子器件IGBT实现无功能量的变换。装置由控制电路、功率电路以及散热系统组成；控制电路基于可编程逻辑阵列FPGA设计，实现对功率电路及外围电路的全数字化控制；散热系统保证整个装置的功率损耗产生的热量及时散出。通过实时检测电网的三相电压和电流，然后由控制系统实时计算要补偿的无功电流和谐波电流，控制器根据指令产生控制IGBT的PWM信号，从而装置产生要补偿的无功电流和谐波电流。
SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
(2)系统结构
SVG装置结构图
装置由连接电抗器、软起控制部分、功率单元和控制器部分组成，装置的组成见下表。
SVG装置的组成
内容 作用
1 一次系统 ① 电抗器 连接装置输出与660V母线系统
② 软起控制部分 SVG启动充电控制
③ 功率单元 SVG的功率单元
2 二次系统 ①控制器 SVG装置控制、运行状态监测和异常保护
② 传（互）感器 强弱系统信号隔离
③ 二次控制电源 控制系统电源
3 辅助部分 ①风冷系统 SVG系统功率单元冷却
②光纤连接系统 SVG控制器和功率单元信号连接
（3）SVG装置的功能
SVG装置能够针对波动变频绞车波动负载进行快速有效的动态无功补偿，可减小电网电压波动、消除电压闪变，补偿负荷电流谐波、消除电压畸变、消除电网三相电流不平衡，提高了电压侧功率因数、节省电能，在有效改善电能质量同时可节省电费开支。
（4）SVG装置的特点
1）无功补偿与谐波治理在一套装置中完美结合；
2）可补偿变频绞车启停瞬间冲击无功；
3）采用了DPWM调制方法，使IGBT模块的开关损耗降低1/3；
4）控制器的核心采用大规模可编程逻辑阵列FPGA，控制器的处理速度快，计算能力强、配置灵活；
5）采用光纤隔离技术，把PWM信号和模拟信号由电信号转换为光信号，然后由光纤传输，避免信号干扰，提高可靠性；
6）具有完备的保护功能，在短路和过流时保护IGBT不损坏；当电网发生短路、断路、散热系统发生故障时均有相应的保护措施，并能显示详细故障信息，保护动作迅速而可靠；
7）装置中没有电容等储能器件，工作时不会产生电弧，比起电容型无功补偿装置，防爆性能优越。
（5）使用效果
过安装前后，电能质量测试各参数，电流主要谐波明显减小，电流总畸变率将至15.87，电压总畸变率将至0.91。根据运行情况看，电网供电质量显著提高。此项技术经过工业性能试验，表明经济是合理的，控制技术是先进的，安全上是可靠的，取得了显著的经济效益和社会效益。
1）经济效益分析
①SVG的投入运行提高功率因数，节约电费开支，安装SVG装置后，平均功率因数可以提高到0.95-1之间，经济效益显著。
②S VG装置以有源滤波的方式补偿电流谐波，补偿效果大大优于无源滤波的方式，使矿井低压电网谐波含量低于国家标准，同时完全避免了无源滤波带来的与电网发生谐振的危险。
③使用SVG装置可以校正煤矿三相不平衡电流，使三相电流不平衡度 3％，消除负序电流给传动设备和变压器带来的损耗和危害，可有效提升煤矿生产的安全性。
④电网投入使用SVG装置后可把电压波动减小到1％以内，并可以完全消除电压闪变，能够避免电压波动和电压闪变给用电设备带来的危害，提高传动设备的工作效率，节约电能。
2）社会效益分析
SVG的投入保障了煤矿井下电网的电能质量，提高了供电的可靠性，减少用电设备的故障停机，减轻了煤矿井下工人的劳动强度，改善了井下工作环境。
结束语：通过实际应用证明，SVG装置相比其他补偿装置，具有运行稳定，响应速度快，运行损耗少，特别适合煤矿变频绞车上使用。SVG做为一种新型的无功补偿及谐波治理产品，代表电能质量领域的未来和技术发展方向，具有广阔的推广应用前景。