諧波治理的必要性及案例分析

1 引言

隨著科技發(fā)展，電子產(chǎn)品大量應(yīng)用，電網(wǎng)中諧波大量產(chǎn)生，作為設(shè)計(jì)人員需要了解諧波的成因及危害，以便更好地防御及治理，提高電能質(zhì)量。

近年來，電氣產(chǎn)品行業(yè)出于節(jié)能和生產(chǎn)的需要，積運(yùn)用新技術(shù)，大量地運(yùn)用了可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等非線性負(fù)荷設(shè)備。其所產(chǎn)生的諧波問題直接影響到了公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量，已引起人們的廣泛重視。

2 諧波產(chǎn)生的原因及影響

2.1 諧波的成因

    電網(wǎng)中的諧波主要指頻率為工頻（基波頻率）整數(shù)倍成分的諧波及工頻非整數(shù)成分的間諧波，它們都是造成電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的重要原因。根據(jù)大量現(xiàn)場測試的分析結(jié)果證實(shí)，電力變壓器也是電力系統(tǒng)中諧波的一個(gè)重要諧波源。電力變壓器的激磁電流、鐵心飽和及三相電路和磁路的不對稱，致使在變壓器三角繞組的線電壓和線電流中也仍然存在三次諧波分量，尤其在負(fù)荷低谷時(shí)，隨著電網(wǎng)電壓的升高，變壓器鐵心飽和程度加劇，產(chǎn)生的諧波含量也隨之增大。隨著電網(wǎng)大量電容裝置的投運(yùn)，通過對現(xiàn)場諧波實(shí)測發(fā)現(xiàn)，諧波并不是只有零序分量可被變壓器三角繞組所環(huán)路，而是波及全網(wǎng)，并給電容裝置及電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來影響和威脅。

    在民用建筑中，UPS電源、電子調(diào)速裝備、節(jié)能型燈具及家用電器中的計(jì)算機(jī)、微波爐等電力電子設(shè)備和電器設(shè)備應(yīng)用的大量增加，以及醫(yī)院等特殊場合的放射X光機(jī)、CT機(jī)等大型醫(yī)療設(shè)備等，使各類非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波日益增多，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染的影響也越來越大。在這些設(shè)備集中使用的地區(qū)，如醫(yī)院、大型商場、居民小區(qū)、寫字樓、酒店公寓等，諧波污染已相當(dāng)嚴(yán)重。諧波污染的影響使電能質(zhì)量明顯下降，因此，對電能質(zhì)量諧波污染的抑制和治理已刻不容緩。

2.2 諧波源的分析

2.2.1 電力電子設(shè)備

    電力電子設(shè)備主要包括整流器、變頻器、開關(guān)電源、靜態(tài)換流器、晶閘管系統(tǒng)及其它SCR控制系統(tǒng)等。由于工業(yè)與民用電力設(shè)備常用到這類電力電子設(shè)備和電路，如整流和變頻電路，其負(fù)載性質(zhì)一般分為感性和容性兩種，感性負(fù)載的單相整流電路為含奇次諧波的電流型諧波源。而容性負(fù)載的單相整流電路，由于電容電壓會(huì)通過整流管向電源反饋，屬于電壓型諧波源，其諧波含量與電容值的大小有關(guān)，電容值越大，諧波含量越大。變頻電路諧波源由于采用的是相位控制，其諧波成分不僅含有整數(shù)倍數(shù)的諧波，還含有非整數(shù)倍數(shù)的間諧波。

2.2.2 可飽和設(shè)備

    可飽和設(shè)備主要包括變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等。可飽和設(shè)備是非線性設(shè)備，與電力電子設(shè)備和電弧設(shè)備相比，可飽和設(shè)備上的諧波在未飽和的情況下，其諧波的幅值往往可以忽略。

2.2.3 電弧爐設(shè)備及氣體電光源設(shè)備

  ①電弧爐在熔煉金屬過程中的非線性影響將產(chǎn)生大量的諧波

  ②氣體電光源包括熒光燈、霓虹燈、鹵化燈。根據(jù)這類氣體放電光源的伏安特性。其非線性特性十分嚴(yán)重，同時(shí)含有負(fù)的伏安特性。而氣體燈具工作時(shí)要與電感性鎮(zhèn)流器相串聯(lián)，并使其綜合伏安特性不再為負(fù)才能正常工作。由于鎮(zhèn)流器的非線性相當(dāng)嚴(yán)重，其中三次諧波含量在20%以上，其特性為對稱函數(shù)，只含有奇次諧波，所有氣體電光源設(shè)備屬于電流源型諧波源。

2.3 諧波對各方面的影響

2.3.1 對電網(wǎng)的影響

    ①造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命變短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、線路和設(shè)備過熱等，特別是三次諧波會(huì)產(chǎn)生非常大的中性線電流，使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值，造成設(shè)備的不安全運(yùn)行。諧波對電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性的影響還表現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振，使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)解裂等。

    ②引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設(shè)備損壞；造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備發(fā)熱，電容器損壞，并加速絕緣材料的老化；造成斷路器電弧熄滅的時(shí)間延長，影響斷路器的開斷能力；造成電子元器件的繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作；影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量；增大附近磁場的干擾等。

2.3.2 對用電安全的影響

    ①火災(zāi)影響。一些建筑突發(fā)性火災(zāi)已被證明與電力諧波有關(guān)。目前，節(jié)能燈、調(diào)光器和電器設(shè)備中開關(guān)電源的應(yīng)用很普遍，本意是節(jié)能，但這些終端設(shè)備作為諧波源，對電網(wǎng)的危害很大。經(jīng)有關(guān)部門測定，應(yīng)用電器設(shè)備較多的酒店、商廈、網(wǎng)吧、計(jì)算機(jī)房、居民小區(qū)等，在沒有采取濾波等措施前，中性線電流都很大，有些甚至超過線電流，導(dǎo)致過熱成為形成火災(zāi)事故的重大隱患。

②設(shè)備影響。電能質(zhì)量的污染對繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和精密制造業(yè)的精密機(jī)械和儀器等，都可能影響正常的運(yùn)行、操作，降低設(shè)備正常使用壽命，甚至引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害。

③通信影響。諧波是電網(wǎng)干擾通信的重要因素，主要通過靜電感應(yīng)（電容耦合，電壓作用）和電磁感應(yīng)（電流作用），在通信線路上產(chǎn)生聲頻干擾。諧波頻率高時(shí)，會(huì)發(fā)生雜音，在通信線路上引起音頻干擾，嚴(yán)重時(shí)還可能觸發(fā)鈴響。采用屏蔽電纜通信，雖可靜電感應(yīng)的影響，但不能電磁感應(yīng)的干擾。同時(shí)，對于存在多個(gè)中性點(diǎn)接地的配電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)三相負(fù)載不對稱時(shí)，零線電流將對利用大地作參考電位的通信系統(tǒng)，造成參考電位漂移而產(chǎn)生干擾。

2.3.3 對各類電氣設(shè)備的影響

①對電力電容器的影響。電網(wǎng)無功配置容量中電容器所占比例zui大，其中用戶電容器約占全部電容器的2/3。這部分電容器的設(shè)計(jì)大多只考慮無功補(bǔ)償量，不考慮裝設(shè)點(diǎn)電能質(zhì)量的實(shí)際污染情況。因此，運(yùn)行點(diǎn)電能質(zhì)量指標(biāo)低時(shí)，常造成一些事故，如補(bǔ)償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護(hù)熔絲熔斷，甚至發(fā)生串聯(lián)并聯(lián)諧振，引發(fā)電容器的諧波過電壓與過電流，導(dǎo)致電容器爆炸等。另外，用戶電容器的管理目前仍按平均功率因數(shù)進(jìn)行考核，電容器很少按電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況投切，甚至只投不切，無形中使電網(wǎng)電壓失去了應(yīng)有的調(diào)節(jié)裕度，使電壓偏差等電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)難以控制。

②對變壓器的影響。諧波電流使變壓器的銅耗增加，引起局部過熱、振動(dòng)、噪聲增大、繞組附加發(fā)熱等。變壓器勵(lì)磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過大，這種諧波電流在發(fā)生諧振時(shí)的條件下對變壓器的安全運(yùn)行將造成威脅。

③對同步發(fā)電機(jī)的影響。用戶的負(fù)序電流和諧波電流注入系統(tǒng)內(nèi)的同步發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生附加損耗，引起發(fā)電機(jī)局部發(fā)熱，降低絕緣強(qiáng)度。同時(shí)，由于輸出的電壓波形中產(chǎn)生附加諧波分量，使負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生扭振，降低其工作壽命。

④對斷路器的影響。諧波會(huì)使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，斷路器的遮斷能力降低，不能遮斷波形畸變率超過一定限制的故障電流，對中壓斷路器截?cái)嚯娏鲿r(shí)可能發(fā)生諧頻涌波電壓和重燃現(xiàn)象，導(dǎo)致斷路器觸頭燒損。

⑤對自動(dòng)控制裝置的影響。隨著數(shù)字控制技術(shù)的大規(guī)模使用，很多精密負(fù)載對受電電能質(zhì)量指標(biāo)提出了更高要求。電能質(zhì)量污染對這類設(shè)備的危害主要有三個(gè)方面，即在設(shè)備的監(jiān)測模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計(jì)算、導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。另外還會(huì)對設(shè)備的硬件，如精密電機(jī)、開關(guān)電源等造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。干擾負(fù)載的保護(hù)回路，造成誤動(dòng)作等。

3 諧波治理的方式與措施

綜上所述，由于諧波對電力系統(tǒng)及用戶的諸多影響與危害，采取措施來抑制電力系統(tǒng)中的諧波，目前外主要的治理措施有以下兩種。

3.1 傳統(tǒng)的諧波抑制方法——無源濾波器

電力無源濾波器即在電容器上串聯(lián)電抗器組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便，除濾波外還兼有無功補(bǔ)償?shù)墓δ?，容量可設(shè)計(jì)成很大，與有源濾波器相比，成本較低，現(xiàn)廣泛采用。但是，無源濾波器同時(shí)也存在缺點(diǎn)，一方面是無法對動(dòng)態(tài)變化的諧波有針對性進(jìn)行濾波；另一方面是濾除效果一般，只能達(dá)到50%-60%的程度。

3.2 新型的諧波抑制方法——有源濾波器

有源電力濾波器是一種新型諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置，它不同于傳統(tǒng)的無源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它實(shí)質(zhì)上是一種大功率波形發(fā)生器，它把諧波源發(fā)出的諧波經(jīng)過采樣、180°移相后，再完整的復(fù)制出來，并送到諧波源的入網(wǎng)點(diǎn)，復(fù)制的諧波與諧波源產(chǎn)生的諧波幅值相等、方向相反，并跟隨諧波的變化而變化，如此，諧波源產(chǎn)生的諧波就*被抵消了。有源濾波器按照其接入電網(wǎng)的方式，可分為兩大類，即串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器。近年來為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢，又設(shè)計(jì)出串聯(lián)混合型和并聯(lián)混合型有源濾波器。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點(diǎn)，但因?yàn)閼?yīng)運(yùn)了大功率電力電子器件，其有功損耗較高，綜合成本比無源濾波器高出很多，故此在大容量的濾波器裝置上目前還未廣泛采用。隨著微電子控制器和電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，有源電力濾波器的性價(jià)比會(huì)越來越高，而用于LC無源濾波器的電容和電抗的價(jià)格卻是呈增長趨勢，因此有源電力濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發(fā)展方向。

4  ANAPF低壓有源濾波器在港口碼頭的應(yīng)用案例

港口行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在帶動(dòng)了其他行業(yè)發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，對電能的需求量也逐漸增大。港口中大量氣體放電類電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈,此類光源的非線性非常嚴(yán)重,有負(fù)的伏安特性。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來港口所使用的設(shè)備普遍采用晶閘管供電的直流系統(tǒng)或交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，且數(shù)量逐年增長。這些電能的變換裝置及其用電設(shè)備屬于非線性負(fù)載，是典型的諧波源。它們在工作時(shí)不僅向電力系統(tǒng)吸收大量的沖擊性無功功率，影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，而且還對電網(wǎng)注入大量諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4.1 項(xiàng)目背景 

寶山羅涇碼頭自投入運(yùn)行以來，港口的裝車吊機(jī)經(jīng)常無故損壞，變頻器經(jīng)常被燒毀，皮帶秤計(jì)量似乎也不準(zhǔn)確，已經(jīng)嚴(yán)重地影響了港口的正常運(yùn)行，帶來嚴(yán)重的負(fù)面經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)查發(fā)現(xiàn)港口配電系統(tǒng)中裝有大量的變頻器，這些變頻器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器從而使裝車吊機(jī)前后移動(dòng)。變頻器是典型的諧波源，產(chǎn)生大量的諧波，而且此類工程的負(fù)載容量通常都比較大，在交流側(cè)存在著很嚴(yán)重的諧波污染，正是諧波導(dǎo)致了羅涇碼頭的問題。

因?yàn)樵摯a頭裝有大量的裝車吊機(jī)，負(fù)載波動(dòng)比較大，而諧波量的大小和負(fù)載率有著密切。在負(fù)載率在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，諧波電流有可能大，在這種情況下系統(tǒng)的電壓會(huì)產(chǎn)生很大畸變。這將會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還會(huì)大大縮短變壓器的使用壽命。此外配電系統(tǒng)中還有皮帶秤和其他負(fù)載，皮帶秤是敏感設(shè)備，變頻器產(chǎn)生的諧波會(huì)通過傳導(dǎo)、感應(yīng)等方式對皮帶秤控制系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶秤工作抖動(dòng)，影響計(jì)量準(zhǔn)確度，同時(shí)對設(shè)備的壽命、安全運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響,也給港口的經(jīng)濟(jì)效益帶來了影響。

寶山羅涇碼頭變頻供電系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1：變頻供電系統(tǒng)簡圖

寶山羅涇碼頭供電系統(tǒng)中含有大量的變頻器。變頻器是工業(yè)調(diào)整傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備之一。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入的工頻電源經(jīng)過整流電路變?yōu)橹绷麟娫?，再?jīng)電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電源。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波。

圖2所示為寶山羅涇碼頭變頻動(dòng)力系統(tǒng)電壓及電流波形圖，電壓波峰很平畸變較為嚴(yán)重。圖5顯示三相電壓畸變率均超過７%，大于國標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》中所規(guī)定的5%的要求，嚴(yán)重的電壓畸變不但會(huì)影響設(shè)備的壽命，而且可能會(huì)釀成事故。

圖2：電壓及電流波形圖                       圖3：電壓電流及功率數(shù)據(jù)

圖4：電流及其相關(guān)數(shù)據(jù)                       圖5：電壓及其相關(guān)數(shù)據(jù)

圖2中的電流波形已經(jīng)基本看不出是正弦波而是較為典型的M波。結(jié)合圖4中電流諧波含量數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出A相、B相、C相電流值為270A、261.6A、283.6A，同時(shí)三相電流的諧波畸變率均超過50%，查閱國標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》，本系統(tǒng)的諧波電流均已超過基準(zhǔn)短路容量所允許的諧波電流限制。綜合電壓及電流數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的電能質(zhì)量很差。

4.2 治理措施及效果

針對碼頭的具體情況，以治理諧波污染為目的。通過有針對性的諧波污染治理，減少甚至其對配電系統(tǒng)的不良影響，保證電動(dòng)機(jī)、變壓器、電纜、其他設(shè)備的正常運(yùn)行，提高功率因數(shù)，減少無功損耗，延長設(shè)備使用壽命，保障可靠供電。

根據(jù)寶山羅涇碼頭變頻動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載分配情況，采用集中補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波治理，即分別在兩臺變壓器二次側(cè)，也就是在A段和B段母線處安裝1臺100A ANAPF有源濾波器。

治理后諧波情況明顯，電壓諧波畸變率由7%下降到2%，電壓波形如圖6所示，波形幾乎是的正弦波。治理后電流波形如圖7所示，電流諧波畸變率從50%降低到5%左右，諧波畸變率大大降低。電壓電流諧波質(zhì)量均已符合GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。治理后減少了對皮帶秤中計(jì)量和傳感器等敏感器件的擾動(dòng)，解決了皮帶秤的抖動(dòng)和計(jì)量不準(zhǔn)問題。

圖6：治理后電壓波形                   圖7：治理后電流波形

據(jù)反饋，自有源濾波器投運(yùn)至今，裝車吊機(jī)運(yùn)行故障率明顯降低，變頻器故障發(fā)生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮帶秤故障由每月1次到不再出現(xiàn)故障。大大提高了裝車吊機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單

5 結(jié)語

綜上所述，隨著時(shí)代的變化，新事物、新產(chǎn)品不斷推陳出新，加之高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，隨之而來的是用電環(huán)境越來越復(fù)雜。本文僅是在諧波污染方面進(jìn)行了一些淺述，由此可以看出，諧波的治理雖然需要一定的資金投入，但從長期來看，對設(shè)備的保護(hù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的，在用電安全方面的所帶來的社會(huì)效益也是十分的。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版

［2］ 查慧勤 《諧波治理的必要性及案例分析》

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