港口配電系統(tǒng)諧波分析及其治理措施

鞠 寧，趙洪軍，季曉春，劉建春，田陸陸

（1.江蘇江陰港港口集團股份有限公司，江蘇 江陰214443；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海201801）

1 引言

近年來電力電子技術(shù)以其節(jié)能、高效、便于操控的特點，在港口的配電系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，尤其是整流、變頻以及能量回饋等技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于門機、集裝箱岸橋等機械設(shè)備。但是，這些新技術(shù)的使用不可避免地對港口的配電系統(tǒng)產(chǎn)生大量干擾，特別是諧波干擾已經(jīng)成為一個不可避免的問題。某公司對配電系統(tǒng)進行了電能質(zhì)量測試，從測試情況看，其中大部分重型設(shè)備都會向配電系統(tǒng)注入5 次、7 次等諧波。高次諧波對系統(tǒng)會產(chǎn)生各種危害，例如，變壓器過熱、噪音增大，電容器頻繁鼓肚、導(dǎo)致功率因數(shù)低，電纜發(fā)熱嚴重等。本文根據(jù)實際測試的結(jié)果，分析港口諧波源的特點，并提出相應(yīng)的治理措施。

2 諧波概述

國標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波GB／T 14549－93》對諧波（分量）的定義是：對周期性交流分量進行傅立葉級數(shù)分解得到頻率為基波頻率大于1 整數(shù)倍的分量。總諧波畸變率（THD）作為衡量用電質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，它的定義是：周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比（用百分數(shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDu表示；電流總諧波畸變率以THDi表示。

3 諧波對港口配電系統(tǒng)的影響

（1）設(shè)備影響

諧波使配電系統(tǒng)遭到污染，這都可能影響繼電保護、計算機系統(tǒng)和精密機械或儀器正常的運行、操作，降低這些設(shè)備的使用壽命，甚至引起繼電保護誤動作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害，特別是對感應(yīng)型電能表的影響。相關(guān)研究表明，感應(yīng)型電能表對2 次以上的諧波有逐漸增大的衰減特性，達到9 次時已衰減掉80%以上。

（2）諧波污染對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)無功配置容量中電容器所占比例最大，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)計大多只考慮無功補償量，不考慮裝設(shè)點電能質(zhì)量的實際污染情況，因此，運行點電能質(zhì)量指標(biāo)低時，常造成一些事故，如補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷，甚至發(fā)生串并聯(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。用戶電容器的管理仍按平均功率因數(shù)進行考核，由于存在諧波，還會對功率因數(shù)產(chǎn)生影響，一般的，設(shè)備的輸入功率因數(shù)：從該式看出，當(dāng)電流、電壓發(fā)生畸變時，其功率因數(shù)會隨著減小。

4 港口測量數(shù)據(jù)分析

以下是某公司對港口辦公區(qū)配電系統(tǒng)的測試結(jié)果分析。

如圖1所示為測量點電流波形圖以及電流THDi值。由于受負載影響，電流波形畸變很嚴重，這是電流在正弦波形情況下疊加了各種諧波導(dǎo)致的，從該諧波表格可以詳細看到各次諧波含有率，由于港口有大量變頻器負載，導(dǎo)致配電系統(tǒng)中5次、7 次、11 次諧波含量過高。

如圖2所示為電壓波形及其諧波表格。電壓出現(xiàn)畸變，主要原因是畸變的電流在線路諧波阻抗上產(chǎn)生的，由于電流畸變十分嚴重，當(dāng)畸變的電流流經(jīng)線路阻抗時，會產(chǎn)生畸變的電壓降，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可知，在該配電系統(tǒng)上的其他設(shè)備也必定是連接到畸變的電壓上，從而受到嚴重影響。

如圖3所示為該港口門機工作時無功需求趨勢圖以及辦公區(qū)電能情況。從圖3中可以看到，這些設(shè)備在空載和負重時所需無功差別大，變化快。左圖可以看到，在門機工作時，每隔1 分鐘左右就會有一次很大的無功需求，傳統(tǒng)無功柜采用接觸器切投，功率因數(shù)控制器（RVC）控制。RVC 會設(shè)置相應(yīng)的步進切投時間，一般時間設(shè)置會在10s 到40s 之間，例如ABB 低壓RVC 步進切投時間默認為40s，切投時間太長跟不上負載無功需求，切投時間太短會導(dǎo)致接觸器、電容器等元件老化加速。根據(jù)這一特性可知，傳統(tǒng)的無功補償無法跟蹤快速變化的負載無功需求，這會導(dǎo)致功率因數(shù)一直很低。功率因數(shù)受諧波和快速變化的負載影響，要投入更大的無功補償或更換新的無功補償設(shè)備，各種成本也會隨之上升。

圖1 電流波形圖以及電流THDi 值

圖2 電壓波形圖以及電流THDi 值

圖3 港口門機工作時無功需求趨勢圖、功率和電能

圖4 PF 受THDi 影響下降曲線

如圖4所示，受諧波影響，功率因數(shù)普遍不高，平均僅為0.84。

如圖5所示，由于存在諧波，變壓器阻抗為XTRn＝2×π×fn×L，電容器阻抗為，當(dāng)系統(tǒng)諧波較大時，變壓器阻抗變大，電容器阻抗變小，大量諧波流入無功柜，在某一頻次時甚至發(fā)生諧振，這些現(xiàn)象時刻威脅港口配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 諧波治理方案

5.1 方案分析

經(jīng)過以上分析，該配電系統(tǒng)電能質(zhì)量基本可以概括了解。港口的機械設(shè)備使用大量電力電子器件，產(chǎn)生大量諧波，機械設(shè)備運行時，無功需求差別大，變化快，致使傳統(tǒng)無功柜無法及時補償。系統(tǒng)存在諧波時，無功柜過補會導(dǎo)致諧波被放大，嚴重時甚至發(fā)生諧振，直接使變壓器過載，開關(guān)柜跳閘。

根據(jù)國標(biāo)GB／T 14549－1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)規(guī)定，以及2008年5月1日起正式頒發(fā)實施的《江蘇省電力保護條例》第二十八條規(guī)定，對有下列情形之一，嚴重影響電力安全的用戶，供電企業(yè)可以中斷供電：“（一）用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運行所注入電網(wǎng)的諧波電流或者引起公共連接點電壓正弦畸變率超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，在供電企業(yè)通知后，用戶不予改正的；（二）用戶的沖擊負荷、波動負荷、非對稱負荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或者對安全運行構(gòu)成干擾、妨礙，在供電企業(yè)通知后，用戶不予改正的”諧波無論對電力系統(tǒng)還是對用戶的用電設(shè)備都造成了很大影響，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，建議對該配電系統(tǒng)進行諧波治理。

圖5 存在諧波情況下系統(tǒng)阻抗示意圖

5.2 諧波治理的主要方式

目前抑制諧波干擾方法主要分為無源治理方式和有源治理方式，下面對其優(yōu)缺點進行分析。

5.2.1 無源諧波濾除裝置

無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC 串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC 回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上，例如5 次、7 次、11 次諧振點上，達到濾除這幾次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，因為其頻率的固有限制，諧振頻率設(shè)定得不好，極易與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致諧波電流成倍激增，損害對電能質(zhì)量要求比較高的精密儀器和設(shè)備?，F(xiàn)在，市場上流通較多的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受，但是濾波的效果很差。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿增加經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又十分嚴格，達不到就要罰款。所以導(dǎo)致很多企業(yè)只重視無功補償，耗費大量資金用于因諧波導(dǎo)致無功補償無法使用的故障上，雖然一次投入成本較低，但是經(jīng)年累月的更換維護成本會成倍增長，屬于治標(biāo)不治本。

①只能抑制固定的幾次諧波，并且對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大，引起其他事故；

②只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；

③其濾波特性依賴于電源阻抗，受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)；

④由于對其中的元件參數(shù)和可靠性要求較高，且不能隨時間和外界環(huán)境變化，故對無源濾波器的制造工藝要求也很高；

⑤對系統(tǒng)負荷變化較大的情況，不宜采用；

⑥重量與體積較大。

5.2.2 有源諧波濾除裝置

有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。其制作也較之無源濾波裝置復(fù)雜得多，一次投入成本也就比無源濾波稍高。其主要的應(yīng)用范圍是計算機控制的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)、工廠的計算機控制供電系統(tǒng)?，F(xiàn)今由于諧波已經(jīng)對電力系統(tǒng)造成很大的危害，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注治理諧波，對有源濾波裝置達到了很高的認可。如圖6所示為并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)。

5.3 有源濾波器的合理安裝

綜上所述，有源電力濾波器是諧波治理的理想配套設(shè)備。有源電力濾波器安裝時需要考慮安裝的物理位置和邏輯位置，物理位置需要考慮安裝點所預(yù)留的空間尺寸。一般新建項目時建議把有源電力濾波器安裝在無功柜下端，與其他電氣柜的柜型顏色保持一致。對于后期改造項目，一般沒有預(yù)留位置時，可放置在距離安裝點最近的安裝，同時兼顧配電房整體布局美觀。在該項目中，有源電力濾波器安裝在配電柜最末端，柜型尺寸與其他電氣柜保持一致。

圖6 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)

圖7 有源電力濾波器邏輯位置

邏輯位置是指有源電力濾波器與其他供電系統(tǒng)中的電氣柜之間的安裝位置關(guān)系，如圖7所示。根據(jù)電容的特性可知，高頻電流更容易流入電容。當(dāng)有源電力濾波器邏輯位置在電容柜之前（更靠近變壓器端）安裝時，高頻電流更多地流入電容柜，而有源電力濾波器只能濾除一小部分。并且若無功柜阻抗更小時，有源電力濾波器發(fā)出的反向諧波也會流入無功柜，因此，有源電力濾波器邏輯位置要在電容柜下端。這樣既可以濾除諧波，在無功需求變化迅速時，有源電力濾波器可以迅速跟蹤補償快速變化的部分無功需求，達到治理諧波，同時保護無功柜的目的。

根據(jù)以上分析結(jié)果，港口有源電力濾波器安裝在電氣柜末端，并以電纜并聯(lián)到系統(tǒng)中。如8 所示為有源電力濾波器安裝位置。

5.4 設(shè)備選型

依據(jù)實際測量掌握的情況，參照以下公式：

圖8 有源電力濾波器安裝位置

其中：Ⅰh為諧波總電流；Ⅰ1rms為基波電流有效值；Ⅰrms為全波電流有效值；THDi為總諧波電流畸變率。由于實際測量時全波電流是比較容易測量和觀察的，而且在計算諧波電流時，用全波電流計算和基波電流計算差別不大（見式（3）），因此可以用全波電流進行估算。

表1 諧波電流含量

根據(jù)上述公式可以計算出各條配電系統(tǒng)所需補償?shù)闹C波電流。根據(jù)諧波電流，選擇所需有源電力濾波器的容量。如表1所示為諧波電流含量。

根據(jù)計算得出的數(shù)據(jù)，可以選擇相應(yīng)容量的有源電力濾波器。有源電力濾波器在進行電能治理時，可以同時治理諧波、補償無功和三相不平衡電流。由上述分析可知，港口的負載對無功的需求變化比較快，而導(dǎo)致功率因數(shù)較低，有源電力濾波器可以對這部分快速變化的無功進行跟蹤補償，配合原有的無功柜使用，可以大幅降低改造費用，達到一個很好的補償無功的效果。由于有源電力濾波器是同時發(fā)出無功電流和諧波電流的，所以在選擇有源濾波器時，為了使濾波效果明顯并且兼補無功，可以選擇比測量值大一些的濾波器。在這里推薦選擇可以補償75A 諧波的有源電力濾波器ANAPF75－380／BGC，對該場所進行補償。如圖9所示為有源電力濾波器安裝示意圖。

5.5 治理效果

對該配電系統(tǒng)進行實際測試后，安裝一臺有源電力濾波器ANAPF75－380／BGC，在運行后進行測量對比發(fā)現(xiàn)，治理效果已經(jīng)明顯，電流波形由原先毛刺很大變?yōu)楣饣恼也ㄐ?，N 線電流也由未治理前的43A 降到10A。THDi由未治理前的21.3%、25.0%、28.0%降到2.6%、2.6%、2.6%。功率因數(shù)也由治理之前的0.85 上升到1.00，完美解決了供電系統(tǒng)中的諧波、不平衡和功率因數(shù)低等問題。治理效果對比如圖10所示。

6 結(jié)束語

盡管諧波危害以各種形式表現(xiàn)出來，但是導(dǎo)致這些危害的根本原因是諧波電流。即非線性設(shè)備工作時，向電網(wǎng)發(fā)射的諧波電流。因此，無論諧波治理的最終目的是什么，其本質(zhì)就是減小負載（可能是一組負載）向電網(wǎng)注入的諧波電流，也就是使電流波形盡量畸變小，因為諧波電流是諧波問題的根源，雖然在有些場合諧波治理的目標(biāo)是保證電網(wǎng)的電壓畸變率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，但是最終仍然落實到諧波電流的控制上。

諧波治理的最佳位置是在非線性負載的電源入口，這相當(dāng)于將非線性負載轉(zhuǎn)變成線性負載，諧波導(dǎo)致的一切問題都迎刃而解。由于消除了諧波源，原來的配電系統(tǒng)就像工作在傳統(tǒng)的線性負載條件下，沒有任何隱患。對于設(shè)計人員來說，由于進行了諧波治理，無論進行配電系統(tǒng)的設(shè)計，還是進行制造系統(tǒng)的設(shè)計，都可以按照傳統(tǒng)的規(guī)范進行設(shè)計，而不用考慮諧波帶來的種種風(fēng)險。大部分發(fā)達國家按照這個策略開展諧波治理。達到這個目的的管理措施是在采購設(shè)備時，提出滿足GB17625 標(biāo)準(zhǔn)。

雖然在非線性負載的電源入線端治理諧波是最佳方案，但是這種方案可能成本較高，根據(jù)實際系統(tǒng)情況，可以采用靈活的方案。通常，可以將就地諧波治理與部分諧波治理結(jié)合起來，構(gòu)成一個性價比高的方案。對于功率較大的諧波源負載（例如變頻器等），采用有源濾波器進行就地諧波治理，可減小向電網(wǎng)注入的諧波電流。對于功率較小，比較分散的非線性負載，在母線上統(tǒng)一治理。在設(shè)計方案時，可以根據(jù)配電系統(tǒng)具體情況進行設(shè)計，以期達到一個完美的諧波治理效果。

圖9 有源電力濾波器安裝示意圖

［1］能源部電力司.GB／T14549－93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

［2］中國聯(lián)合工程公司.GB50052－2009 供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［3］趙殿波.淺談港口電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生與抑制［J］.天津科技，2009，（4）.

［4］曹 濤，張 蕾.醫(yī)療建筑諧波分析及治理措施［J］.建筑電氣，2013，（10）.

［5］謝漢章.港口電網(wǎng)諧波的認識及其對策［J］.電機電器技術(shù)，2002，（1）.