消除諧波電流與節(jié)電的關(guān)系

文／航天科工集團(tuán)二院706所 楊繼深

1 節(jié)電潛能的分析方法

節(jié)電是目前最熱門的話題。隨著國(guó)家節(jié)能降耗國(guó)策推進(jìn)的深入，一些直接的節(jié)電措施已經(jīng)廣泛實(shí)施，人們開(kāi)始關(guān)注更深層次的節(jié)電潛能。特別是在能源價(jià)格不斷升高的環(huán)境下，企業(yè)迫切尋找節(jié)電的突破口。諧波治理就往往成為一個(gè)目標(biāo)。

諧波治理的初衷是提高電能質(zhì)量，保證配電系統(tǒng)和用電負(fù)荷的正常運(yùn)行。但是由于人們過(guò)度關(guān)注節(jié)電的問(wèn)題，在討論諧波治理項(xiàng)目時(shí)，往往偏離主題，提出諧波治理項(xiàng)目實(shí)施后，能夠節(jié)省多少電能的問(wèn)題。加上諧波治理設(shè)備廠家為了銷售產(chǎn)品，故意混淆電能質(zhì)量與節(jié)電的概念，夸大諧波治理在節(jié)電方面的作用，使很多企業(yè)在考慮諧波治理時(shí)，單純關(guān)心節(jié)電效果。

本文討論諧波治理與節(jié)電的關(guān)系，希望能夠指導(dǎo)企業(yè)真正從諧波治理中獲得效益。本節(jié)提供的分析思路不僅適合于諧波治理的節(jié)電分析，也適合于一般的節(jié)電項(xiàng)目效益分析。

1.1 節(jié)電的最大潛能

在論證任何節(jié)電項(xiàng)目時(shí)，都要首先研究節(jié)電的潛能在那里，這種潛能有多大。如果不能搞清楚這種潛能的存在和大小，就不能開(kāi)展節(jié)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

節(jié)電有兩個(gè)途徑，一個(gè)是減少不必要的電力做功，另一個(gè)是提高電力做功的效率。隨手關(guān)燈就是我們最熟悉的一種節(jié)電方法，這就是通過(guò)減少電力做功。

提高電力做功的效率就是降低電力做功過(guò)程中造成的損耗。節(jié)能燈就是最典型的一種提高電力效率的方法。過(guò)去的白熾燈在發(fā)出光能的同時(shí)，產(chǎn)生了很大的熱能，而熱能并不是我們所需要的。節(jié)能燈產(chǎn)生很少的熱能，而能夠?qū)⒋蟛糠蛛娏D(zhuǎn)換成光能，因此具有更高的效率。

無(wú)論是通過(guò)哪種途徑節(jié)電，都是通過(guò)減少電能的浪費(fèi)來(lái)達(dá)到節(jié)電的目的，也就是，只有存在被浪費(fèi)的部分，才能夠有節(jié)省的空間。理解這個(gè)概念很重要，這幫助我們識(shí)別和挖掘存在的節(jié)電潛能，識(shí)破一些不符合實(shí)際的商業(yè)宣傳。

在進(jìn)行節(jié)電項(xiàng)目的論證時(shí)，首先分析哪些電能被浪費(fèi)掉了；這部分電能占總消耗電能的比例（一般用%表示），這部分電能的費(fèi)用就是節(jié)電項(xiàng)目可能獲得的最大收益。例如，如果企業(yè)由于功率過(guò)低，每個(gè)月交了1萬(wàn)元的功率因數(shù)罰款，那么，通過(guò)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，達(dá)到不交罰款的程度，就能夠節(jié)省1萬(wàn)元的費(fèi)用。

節(jié)電的最大值不會(huì)超過(guò)浪費(fèi)的電能。因此，一些公司不負(fù)責(zé)任地宣稱，使用他們的產(chǎn)品節(jié)電X%，是沒(méi)有根據(jù)的。記住，一定要分析清楚目前的浪費(fèi)情況，然后再研究如何減少浪費(fèi)。

1.2 電費(fèi)的構(gòu)成

雖然國(guó)家推進(jìn)節(jié)能降耗的目的是為了保護(hù)環(huán)境，但是企業(yè)實(shí)施節(jié)電措施的直接動(dòng)力是降低電費(fèi)支出。因此，可以將節(jié)電的概念縮小到節(jié)省電費(fèi)支出這個(gè)范圍。任何手段，對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)雖然有節(jié)電效果，但是如果不能節(jié)省電費(fèi)支出，在本文的范圍內(nèi)就不能算是節(jié)電。

要討論安裝了某種設(shè)備是否可以節(jié)省電費(fèi)，首先需要了解電力公司是如何收取電費(fèi)的。電力公司向企業(yè)收交的電費(fèi)主要包括三個(gè)部分:基本電費(fèi):按照變壓器的數(shù)量和功率收取，變壓器的功率越大，基本電費(fèi)越高；有功電費(fèi):按照電度表的讀數(shù)收取，讀數(shù)越大，費(fèi)用越高；無(wú)功電費(fèi):收取方法不定，普遍采用的是收取功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，功率因數(shù)低于0.9時(shí)收取，有一定的計(jì)算方法。

圖1所示的是一個(gè)企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)。從表中可以看出，雖然電度表上讀數(shù)的費(fèi)用是每度電0.57元，但是實(shí)際的電費(fèi)核算為每度1.48元。要節(jié)省電費(fèi)支出，就要從表中所示的每項(xiàng)入手，研究可行性。目前人們最常用的方法是功率補(bǔ)償，降低功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)用。在圖1中，如果通過(guò)因數(shù)補(bǔ)償，達(dá)到電力公司的要求，省掉功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，就節(jié)電了37.52%（6878元）。但是需要注意的是，目前電力公司僅關(guān)注相移功率因數(shù)，而不關(guān)注真功率因數(shù)。相移功率因數(shù)就是由于電壓、電流之間存在相位差（F）而導(dǎo)致的功率因數(shù)，也就是我們常說(shuō)的COSF。實(shí)際上，諧波電流也會(huì)降低功率因數(shù)。這兩部分功率因數(shù)都考慮的綜合結(jié)果就是真功率因數(shù)。由于目前電力公司收取的功率因數(shù)罰款僅是相移功率因數(shù)部分的罰款，因此治理諧波而提高真功率因數(shù)是收不到功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)減少而獲得的節(jié)電效益的。

圖1 某企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)

1.3 諧波電流造成的電能浪費(fèi)

諧波電流造成的電能浪費(fèi)主要是線路的熱損耗，這部分熱損耗體現(xiàn)在電度表的有功功率中，如果能夠降低諧波電流在線路中的損耗，就能夠減少電度表的讀數(shù)，也就達(dá)到了節(jié)電的目的。

諧波電流在線路上造成的額外熱損耗包括:變壓器的額外損耗，包括鐵心的損耗和繞組導(dǎo)體的損耗；線路的額外損耗，主要是線路電阻的熱損耗；根據(jù)有關(guān)研究，諧波電流使變壓器的損耗增加1%左右，如圖2所示。線路的損耗是本文分析的重點(diǎn)，在以下各節(jié)進(jìn)行分析。另外，諧波電流還會(huì)造成間接的浪費(fèi)，這就是由于變壓器的損耗增加，容量不夠，需要更換容量更大的變壓器，或者增加變壓器的數(shù)量，增加了基本電費(fèi)支出。

圖2 諧波電流增加變壓器的損耗（from Eaton Corpotation）

2 諧波電流在線路上的損耗

2.1 三相三線系統(tǒng)

線路的損耗取決于諧波電流的含量。典型的非線性負(fù)荷，例如變頻器，會(huì)產(chǎn)生5、7、11、13等多次諧波分量，為了討論方便，我們僅將這些諧波分量用一個(gè)諧波成份Ih表示，這不會(huì)對(duì)討論結(jié)果產(chǎn)生大的影響。分析的電路模型如圖3所示，為一個(gè)三相三線系統(tǒng)，每根相線的電阻為R。

圖3 三相三線系統(tǒng)的電路模型

由于單根線路的電阻為R，因此電流回路的電阻為2R。

設(shè)，諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，總電流有效值IT 為:

有諧波電流時(shí)，單個(gè)回路的線路損耗P0為:

三相線路的損耗P1為:

線路的電阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線路的損耗越大。

下面研究諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。

式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線電壓。

將（6）、（7）代入（4），并設(shè)THID = Ih/I，得到諧波電流的損耗為:

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，由于大量應(yīng)用變頻器等非線性設(shè)備，諧波畸變率較大，THID的典型值達(dá)到60%。則諧波電流的損耗為:

諧波電流的損耗在總功率中的比例為:

計(jì)算不同線路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表1所示。

2.2 三相四線系統(tǒng)

圖4 三相四線系統(tǒng)中的諧波損耗

三相四線（或者三相五線）系統(tǒng)中，負(fù)荷大部分是單相整流電路，他們所產(chǎn)生的諧波電流以三次諧波電流為主，三次諧波電流的畸變率往往會(huì)達(dá)到80%以上。較高的諧波電流畸變率決定了諧波電流的損耗也會(huì)更大。更重要的是，三次諧波電流在中性線（零線）上是疊加的，最大能夠達(dá)到相線電流的1.7倍。而基波電流在中性線上是相互抵消的。這決定三次諧波電流造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)。我們用圖4所示的電路模型來(lái)進(jìn)行分析。分析中，忽略變壓器的損耗和單相負(fù)載部分的線路損耗，僅考慮公共線路的損耗。也就是圖4中的P1和P2。

在分析中，假設(shè)諧波電流只有3次諧波電流，忽略其他諧波電流。這樣做有兩個(gè)理由，第一，3次諧波電流最大，第二，3次諧波電流具有特殊性，它是零序的電流，在中性線上疊加。

單根線路的電阻為R，3次諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，相線上的總電流有效值IT 為:

單根相線線路上的損耗P0為:

3根相線導(dǎo)體的總損耗P1為:

因?yàn)榛娏髟谥行跃€上抵消，而3次諧波電流在零線上疊加，所以中性線上的損耗P2為:

總的線路損耗為:

諧波電流導(dǎo)致的額外損耗Ph就是12Ih2 R:

線路的電阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線路的損耗越大。下面研究諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。

式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線電壓。

設(shè):△U=XU，X是線路上的電壓降占額定電壓的百分比，并將（14）代入，則有:△U=X P/1.73I （16）

將（15）、（16）代入（13），并設(shè)THID=Ih/I，得到諧波電流的損耗為:

由于大量應(yīng)用信息設(shè)備、節(jié)能燈、LED發(fā)光設(shè)備等，諧波畸變率較大，THID的典型值達(dá)到80%。則諧波電流的損耗為:

諧波電流的損耗在總功率中的比例為:

計(jì)算不同線路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表2所示。

3 諧波治理的節(jié)電效果

3.1 諧波治理節(jié)電的最大值

上節(jié)分析了諧波電流造成的電能浪費(fèi)。根據(jù)“只有被浪費(fèi)掉的電能才能夠被節(jié)省”的基本概念，我們通過(guò)諧波治理只能將諧波電流造成損耗的那部分節(jié)省。所以表1和表2就給出了通過(guò)諧波治理能夠獲得節(jié)電效果的最大值。任何諧波治理措施都不可能將諧波完全消除，因此，實(shí)際的節(jié)電效果不會(huì)超過(guò)表1和表2所示的數(shù)值。

從表1和表2可知，三相四線系統(tǒng)中，通過(guò)治理獲得的節(jié)電效果更加明顯。這是主要是因?yàn)槿嗨木€制系統(tǒng)中，三次諧波電流在中性線上疊加，而基波電流在中性線上抵消，導(dǎo)致了諧波電流的損耗在總線路損耗中占的比例較大。

由于表1和表2僅是線路的損耗，沒(méi)有考慮變壓器的諧波電流損耗。如果考慮變壓器的損耗，諧波治理的收益還能夠增加1%以下。

3.2 諧波治理的實(shí)際節(jié)電效果

以上的節(jié)電最大值是基于消除線路上的諧波電流損耗。實(shí)際的諧波治理方案并不能達(dá)到這種效果。目前的諧波治理方法主要采用有源濾波器和陷波電路型的無(wú)源濾波器。這些濾波器并聯(lián)安裝在線路上，如圖5所示。這些濾波器能夠保證接入點(diǎn)A的上游諧波電流達(dá)到預(yù)定值，而A的下游的諧波電流沒(méi)有改善。實(shí)際上，由于濾波器接入后，系統(tǒng)的阻抗降低，A的下游的諧波電流可能還會(huì)增加。目前大部分企業(yè)進(jìn)行諧波治理都是為了滿足電網(wǎng)公司對(duì)于接入點(diǎn)（PCC）的諧波指標(biāo)要求，因此，都會(huì)把諧波濾波裝置安裝在配電系統(tǒng)的最上端，也就是主變壓器的下端。這時(shí)，企業(yè)內(nèi)部的諧波電流不會(huì)有任何改善，甚至?xí)黾樱虼艘簿蜔o(wú)法獲得線路損耗降低的收益。

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要通過(guò)諧波治理獲得節(jié)電效果，必須減小諧波電流在線路上的損耗。最理想的方法就是在諧波源負(fù)載處進(jìn)行諧波治理。也就是在每個(gè)諧波源負(fù)荷的電源入線處安裝一臺(tái)諧波濾波器。實(shí)際上，在每個(gè)諧波源負(fù)荷處安裝諧波濾波器，不僅能夠獲得較好的節(jié)電效果，而且能夠保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的質(zhì)量，是最理想的諧波治理方案。但這往往會(huì)增加諧波治理的成本。為了在諧波治理效果與成本之間獲得平衡，可以采用綜合治理的方案。也就是，對(duì)功率較大的非線性負(fù)荷進(jìn)行就地單獨(dú)治理，對(duì)較集中的非線性負(fù)荷，采用分組治理，對(duì)于分散的小功率非線性負(fù)荷，采用集中治理（也就是目前最常見(jiàn)的）。

3.3 三相四線系統(tǒng)的節(jié)電優(yōu)勢(shì)

從表2可知，三相四線系統(tǒng)中，諧波電流造成的線路損耗遠(yuǎn)高于在三相三線系統(tǒng)中。這意味著三相四線系統(tǒng)中，治理諧波具有具有更大的節(jié)電潛能。如果能夠找到一種較低成本的，消除整個(gè)配電系統(tǒng)線路上的諧波電流的方法，具有重要的意義。

中國(guó)航天科工集團(tuán)706所開(kāi)發(fā)NBF（Neutral Blocking Filter）零線諧波電流阻斷器為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的提供了可能。零線諧波電流阻斷器是一個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)，他在150Hz處具有很高的阻抗，而對(duì)50Hz的基波頻率阻抗很低（一般小于0.05W）。將它串聯(lián)在中性線上，就能夠阻擋三次諧波電流，如圖6所示。由于中性線與相線共同構(gòu)成一個(gè)電流回路，因此，當(dāng)中性線上的諧波電流被阻斷后，相線上也就沒(méi)有諧波電流了。

圖5 典型的諧波治理電氣原理圖

圖6 NBF在線路中的連接方法

從圖6可知，NBF消除諧波的效果與普通的有源濾波器或者無(wú)源濾波器不同。NBF是能夠?qū)惭b位置下游線路上的諧波電流消除，當(dāng)然，下游沒(méi)有諧波電流，上游也就沒(méi)有了諧波。因此，如果將NBF安裝在變壓器下端，就能夠消除整個(gè)配電系統(tǒng)線路上的諧波電流。NBF的實(shí)際效果如圖7所示，可知，中性線電流從38A降低到4A。

NBF在消除中性線電流方面效果十分顯著。三次諧波電流導(dǎo)致中性線上的電流過(guò)大，不僅消耗額外的電能，而且還會(huì)造成火災(zāi)的隱患，在工程中必須十分重視。

長(zhǎng)春會(huì)展大飯店上安裝了一塊259平方米的顯示屏（圖8），由兩個(gè)配電柜供電。每臺(tái)配電柜的相線電流為250A，中性線電流為450A。在配電柜的中性線上安裝了NBF后，相線電流降低為242A，中型線電流降低為35A。由于條件所限，沒(méi)有測(cè)量具體的節(jié)電數(shù)據(jù)，但是可以預(yù)期具有明顯的節(jié)電效果。

4 總結(jié)

企業(yè)關(guān)心的節(jié)電效果是節(jié)省電費(fèi)支出。電費(fèi)支出主要有三部分構(gòu)成，有功電費(fèi)、功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)、基本電費(fèi)。治理諧波電流減小了線路的熱損耗，因此是減小了有功電費(fèi)支出。并非任何諧波治理方法都能夠獲得預(yù)期的節(jié)電效果，只有能夠消除配電線路上的諧波電流的方法才能夠獲得節(jié)電效果。傳統(tǒng)的在變壓器下端母線上安裝有源濾波器或者無(wú)源濾波器的方法不能獲得明顯的節(jié)電效果。

在三相四線系統(tǒng)中采用NBF是理想的三次諧波治理方案，根據(jù)配電系統(tǒng)的不同，能夠獲得5～10%的節(jié)電效果。

圖7 NBF零線諧波電流阻斷器的效果

圖8 NBF應(yīng)用實(shí)例