諧波對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響和治理措施

朱金奇

安陽鋼鐵股份有限公司（455004）

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的大量應(yīng)用,負(fù)載中的大量的非正弦波的電流送入電網(wǎng)，大功率的無功電流沖擊著電網(wǎng)，首先造成了供電電網(wǎng)的指標(biāo)嚴(yán)重地偏離了國標(biāo)規(guī)定的數(shù)值。對(duì)于要求高質(zhì)量供電電網(wǎng)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)來說，不正常不合格的電網(wǎng)供電質(zhì)量，造成了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降，影響了生產(chǎn)。其次增加了電網(wǎng)電能的損耗，與建立節(jié)約型社會(huì)的要求相違背。

電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波的諧波源主要有變壓器、電弧爐、電氣機(jī)車、逆變器、可控硅整流器等。其中以可控硅設(shè)備產(chǎn)生的諧波為多?？煽毓枵髌骷词乖诶硐霠顩r下運(yùn)行（即三相交流系統(tǒng)完全對(duì)稱，直流測(cè)平波電抗器的感抗為無窮大，換流電抗等于零），從變流技術(shù)方面分析得出∶整流變壓器副邊繞組流過全方波電流，與之相對(duì)應(yīng)的原邊繞組流過梯形波電流，這說明電流波形發(fā)生畸變。通過諧波分析可知：對(duì)于三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5、7、11……次諧波電流;如果采用12脈沖整流器，也還有11、13、23……次諧波電流。

在實(shí)際運(yùn)行中并不理想，換流電抗不等于零，換相角不等于零，平波電抗器的感抗也不可能為無窮大，輸出直流必然會(huì)有脈動(dòng)，三相交流系統(tǒng)也很難完全對(duì)稱。因而諧波成分會(huì)更加復(fù)雜，電壓與電流波形發(fā)生畸變會(huì)更嚴(yán)重，此諧波注入電網(wǎng)必將對(duì)電氣設(shè)備造成危害。下面將分析各種典型電力電子負(fù)載對(duì)電網(wǎng)指標(biāo)的破壞情況。

1 典型電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的影響

1.1 晶閘管調(diào)速的直流機(jī)負(fù)載

我們以某軋鋼廠為例∶

6 kV電網(wǎng)供電系統(tǒng)中,主要有主軋機(jī)整流變壓器兩臺(tái)（其中上輥一臺(tái)、下輥一臺(tái)）。主軋機(jī)1#（上輥）和2#（下輥）整流變壓器均為三繞組變壓器，拖動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在6 kV電網(wǎng)構(gòu)成24脈波整流。

其參數(shù)如下∶主軋機(jī)整流變壓器（上輥或下輥）變壓器容量∶6 300 kVA；變比∶6 kV/0.82 kV；短路容量∶Uk=7%。

負(fù)載為兩臺(tái)可逆直流電動(dòng)機(jī),功率為2×4 000 kW，額定電壓860 V，屬于沖擊性負(fù)荷，過載倍數(shù)為2.5倍。

軋制過程中，功率因數(shù)很低，在0.16至0.7之間，變化范圍很大，平均功率因數(shù)約為0.4左右；負(fù)載的有功功率和無功功率造成變壓器的無功功率增大，有功功率損耗加大。上輥?zhàn)畲笥泄ω?fù)載約為2×475 kW，無功為 2×2 955 kVar。 下輥?zhàn)畲笥泄ω?fù)載約為 2×725 kW，無功為 2×2 685 kVar。此時(shí),兩臺(tái)變壓器中由負(fù)載有功功率產(chǎn)生的無功功率為168 kVar,有功功率為978 kW。上輥?zhàn)儔浩鞯臎_擊性無功功率大，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)大。使6 kV電網(wǎng)電壓下降了497 V，約為7.9%，變壓器二次電壓898.6 V下降到779 V，約為14.3%。兩臺(tái)主機(jī)的供電變壓器對(duì)6kV電網(wǎng)供電構(gòu)成24脈波整流,電網(wǎng)24脈波整流的 5、7、11、13 次諧波均很小，但是 23、25 次諧波在大負(fù)載時(shí)超標(biāo)，電壓畸變大。

由于軋制電流過大,使得整流變壓器過熱，需用兩臺(tái)大風(fēng)機(jī)對(duì)每臺(tái)變壓器強(qiáng)迫風(fēng)冷降溫。大功率直流換相電源短路,使得變壓器二次側(cè)電壓陷波嚴(yán)重，對(duì)控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。6kV電網(wǎng)總進(jìn)線側(cè)輕載時(shí)功率因數(shù)為0.7，重載時(shí)為0.49～0.6。以下是軋機(jī)的電壓電流波形（電壓比為8.19，電流比為60）。

我們將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 直流機(jī)負(fù)載分析

從表1中我們可以看出，晶閘管調(diào)速的直流機(jī)負(fù)載在低壓、中壓側(cè)各項(xiàng)參數(shù)均不符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)。

另外，電解銅和電解鋁負(fù)載與直流電機(jī)負(fù)載的特性類似。

1.2 交交變頻電機(jī)負(fù)載

某中板廠6 kV電網(wǎng)變壓器容量為16 MVA，主要負(fù)載為5 000 kW沖擊性的交-交變頻主軋機(jī)。軋制過程中，最大有功功率為6 084 kW，最大無功功率為9 018 kVar。最大諧波量如下∶5次為115.8 A，7次為52.8 A，11次為31.2 A，13次為19.2 A。5次為最大、7次次之，均超過國家標(biāo)準(zhǔn)。交-交變頻的諧波除了有特征諧波外，還存在大量旁頻諧波，電網(wǎng)中諧波電流大，功率因數(shù)低，上述負(fù)荷的沖擊使得6kV供電電網(wǎng)電壓波動(dòng)很大，已達(dá)到6%左右，影響了其他負(fù)荷的正常運(yùn)行。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表，見表2。

表2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

1.3 交直交變頻電機(jī)負(fù)載

交直交變頻器的原理是3相交流電經(jīng)過三相橋式整流向電解電容器充電，電解電容器上的直流電經(jīng)過開關(guān)元件逆變成為不同頻率的交流電。

交直交變頻器的電網(wǎng)電流特點(diǎn)：基波電流的功率因數(shù)高為1，但高次諧波數(shù)值很高，總功率因數(shù)很低＝0.47左右。電網(wǎng)電壓電流波形如下∶

類似負(fù)載有開關(guān)電源、電視機(jī)、電腦等負(fù)載。

1.4 電弧爐負(fù)載

電弧爐煉鋼工藝分為熔化期和精煉期，在熔化期對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響更厲害。熔化期時(shí)，爐內(nèi)裝入廢鋼，三相交流電極插入爐內(nèi)，電極與廢鋼之間產(chǎn)生電弧熔化廢鋼。電弧爐的電流如下∶從電流波形可以看出電弧爐的電能特點(diǎn),三相電流不平衡，不平衡說明存在負(fù)序分量。電流的諧波不大，但是存在2、3次的諧波，其平均值為基波的5%～10%。因?yàn)榇?lián)了限流電抗器，限制了電爐短路電流，也就使得功率因數(shù)不高，電弧爐電極短路時(shí)無功功率很大，沖擊的無功功率使得電網(wǎng)電壓波動(dòng)，發(fā)生電壓閃變。電弧爐是大耗電戶，對(duì)于電網(wǎng)的干擾也大。

1.5 電氣化機(jī)車負(fù)載

電氣化機(jī)車是不平衡負(fù)載,由兩個(gè)單相27.5 kV電源給機(jī)車供電,電氣機(jī)車是單相直流傳動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)，電網(wǎng)電流的特點(diǎn)如同上述的直流電機(jī)負(fù)載電流特性，電流中含有大量的5、7、11次諧波電流。諧波電流流入電網(wǎng)引起電壓畸變，電氣化機(jī)車的功率因數(shù)不高，有大量的無功功率，沖擊的無功功率引起電壓波動(dòng)電壓閃變。凡是與電氣化機(jī)車掛在同一電網(wǎng)下的用戶，均受到干擾，叫苦不迭。

從110 kV變電站采集的電氣化鐵路的電流電壓波形如圖9所示。

2 無功功率和諧波電流浪費(fèi)了電能

三相電路功率的定義∶

cosφ1為基波功率因數(shù)，φ1為基波功率因數(shù)角。

其中S代表視在功率，P為基波電流和諧波電流產(chǎn)生的有功，Q無功功率為基波電流產(chǎn)生的無功。

U1為基波電壓有效值，I1為基波電流有效值，

U為線電壓有效值，I為相電流有效值。

無功功率流入變壓器要使得變壓器產(chǎn)生有功損耗，損耗的數(shù)值為∶

容量。當(dāng)負(fù)載的無功功率很大的時(shí)侯，變壓器的損耗非常大，同時(shí)電網(wǎng)的線路損耗也大。諧波電流消耗有功功率。由此看出，無功補(bǔ)償和諧波濾波可以節(jié)約有功功率，可以節(jié)約電能。

3 治理高次諧波的技術(shù)措施

3.1 整流變壓器用 Y，d（Y/△）或 D，g（△/Y）接線

三相整流變壓器采用Y/△接法，硅整流設(shè)備的高次諧波電流通過付邊△繞組時(shí)，其中ε的倍數(shù)的高次諧波由于三相相位相同,在△繞組中形成環(huán)流，能量損耗在繞組的電阻上。變壓器鐵心中不會(huì)產(chǎn)生三次諧波磁通，原邊Y繞組中就不會(huì)感應(yīng)出3的倍數(shù)的電勢(shì)和電流。

如果采用△/Y接法,付邊Y繞組中不能流過相位相同的3的倍數(shù)的高次諧波電流，因而變壓器鐵心中出現(xiàn)了3的倍數(shù)的諧波磁通，原邊△繞組中感應(yīng)出3的倍數(shù)的諧波電勢(shì)，并在△繞組中形成相位一致的環(huán)流，能量就損耗在繞組的電阻上。為此三相整流變壓器采用這兩種接線，能有效地抑制諧波電流注入電網(wǎng)。

3.2 增加整流相數(shù)

整流設(shè)備采用12相脈沖整流比相脈沖整流可減少5、7、17......次高次諧波。這是因?yàn)檎飨鄶?shù)越多，整流后電壓和電流和脈動(dòng)系數(shù)越小，高次諧波的含量也就越少。如果采用6相整流時(shí)，出現(xiàn)5次諧波電流位基波電流的18.5%,而采用12相整流時(shí)，出現(xiàn)5次諧波電流只為基波電流的4.5%。

3.3 采用調(diào)諧濾波器

調(diào)諧濾波器是具有針對(duì)性的，僅對(duì)某次或某幾次含量大的諧波進(jìn)行吸收的裝置。該裝置由R/L/C等元件組成串聯(lián)諧振電路，安裝在整流變壓器原邊母線上,由于它對(duì)諧振的諧波電流呈現(xiàn)很小的阻抗，故能對(duì)諧波進(jìn)行吸收，因而能有效地抑制諧波注入電網(wǎng)。

3.4 采用帶移相繞組的整流變壓器

采用帶移相繞組的整流變壓器，適合用于有多臺(tái)可控硅整流器的情況。帶移相繞組的整流變壓器，是通過移相使三臺(tái)整流變壓器的相位相互差一個(gè)角度,這相當(dāng)于交流側(cè)電源組成脈動(dòng)18次的電壓波形，從而改善了電源電壓波形，客觀上也是抑制了高次諧波。

3.5 安裝電抗器

在有無功補(bǔ)償電容器的情況下，安裝與電容器串聯(lián)的電抗器，可組成低通濾波器，可調(diào)諧在最低次諧波頻率以下，使整個(gè)系統(tǒng)失調(diào)，以減少高次諧波的影響。

3.6 增加供電網(wǎng)絡(luò)的短路容量

在設(shè)計(jì)大容量可控硅設(shè)備供電方式時(shí)，首先應(yīng)該選擇合理供電電壓等級(jí)，設(shè)法接入大短路容量的電網(wǎng)，或設(shè)法加大系統(tǒng)的短路容量（應(yīng)大于可控硅設(shè)備容量的20倍）,則可減少注入電網(wǎng)的諧波電流。

3.7 控制電網(wǎng)諧波電壓的含量

加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中諧波電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，用戶注入該電網(wǎng)的高次諧波電流加上該電網(wǎng)原有的高次諧波電流，使得諧波電壓的含量不得超過下列標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)110KV電網(wǎng)，諧波電壓含量不超過1.5%；對(duì)35 KV電網(wǎng)，不超過3%；對(duì)10KV電網(wǎng)不超過4%；對(duì)0.4 KV電網(wǎng)不超過5%。

[1]戴通生.加強(qiáng)用戶諧波管理 保證電網(wǎng)電能質(zhì)量[J].電力需求側(cè)管理,2007(1).

[2]林偉克.電能質(zhì)量及諧波測(cè)控技術(shù)與應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2010(A08).