工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)諧波治理方法探究

藍(lán)天翔 董文恩

（溫州能源監(jiān)察支隊，浙江 溫州 325000）

1 諧波的概念

供電系統(tǒng)的定義是對周期性非正弦波電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。 諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)。由于比值的不同，一般情況下，我們把諧波分為奇次諧波和偶次諧波，奇次諧波指的是諧波頻率與基波頻率的倍數(shù)為3、5、7、9 等奇數(shù)， 偶次諧波則是指諧波頻率與基波頻率的倍數(shù)為為2、4、6、8 等偶數(shù)。偶次諧波由于三相系統(tǒng)的對稱關(guān)系，會被消除掉，而奇次諧波對電網(wǎng)的危害則大于偶次諧波，所以奇次諧波也是諧波治理的關(guān)鍵對象。

2 主要諧波源

在日常的檢測工作中發(fā)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)諧波產(chǎn)生量較大的企業(yè)有以下幾個類型：

2.1 冶金行業(yè)

冶金行業(yè)由于大量使用中頻感應(yīng)爐、電弧爐、直流軋鋼等設(shè)備，所以成為受諧波危害的重災(zāi)區(qū)。

目前溫州地區(qū)的中頻煉鋼爐較多， 中頻爐的容量從0.4 噸到10噸，而且大部分中頻爐在0.4 噸到1.5 噸的規(guī)模。經(jīng)筆者單位的檢測數(shù)據(jù)顯示，龍灣地區(qū)有300 多臺、樂清、瑞安、永嘉有100 多臺。這些中頻感應(yīng)爐主要產(chǎn)生5、7 次諧波， 經(jīng)估算諧波含量占總電流22%~25%左右，這些中頻爐往往分布在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這些地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)比較薄弱，供電容量低，影響尤其明顯。

電弧爐產(chǎn)生的諧波主要為2~7 次諧波，電弧爐的容量大，對電網(wǎng)的無功沖擊大，負(fù)荷變化也非?？欤o電網(wǎng)造成電壓波動大和閃變，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

直流軋鋼時，會產(chǎn)生大量的5、7 次諧波污染，而且目前大部分軋機(jī)的功率因素很低，一般不到0.6。 但由于受到諧波的影響，電容器的效率大打折扣，導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)的無功補(bǔ)償柜的補(bǔ)償效果達(dá)不到電力部門功率因素的要求。

2.2 化工整流行業(yè)

化工企業(yè)的大量設(shè)備都需要直流供電，所以存在大量的交流轉(zhuǎn)化為直流的整流設(shè)備。 整流設(shè)備會產(chǎn)生5、7 次諧波，同時還存在功率因素過低的現(xiàn)象。

2.3 變頻器使用過多的企業(yè)

由于目前的變頻器通常使用直接和間接兩種變頻方式，兩種變頻方式都運(yùn)用了大量的非線性電子部件。電子部件的脈動電流形成的電壓與電網(wǎng)的電壓結(jié)合會產(chǎn)生諧波污染，經(jīng)檢測，變頻器產(chǎn)生的諧波主要為三次諧波，當(dāng)三次諧波使中線電流大于相電流的時候，會造成中線電纜發(fā)熱損耗，并帶來安全隱患。

3 諧波的治理

諧波對電網(wǎng)和電氣設(shè)備都有很大的危害，諧波的治理對于優(yōu)化用電質(zhì)量、改善用電環(huán)境都有很重要的意義。諧波治理要根據(jù)不同行業(yè)、不同特點(diǎn)所存在的諧波源使用不同的諧波治理的方法。目前主流的諧波治理的方法有以下幾種方式：

3.1 變壓器采用△/Y 或Y/△接法

當(dāng)變壓器的繞組按成△/Y 時， 一次側(cè)勵磁電流的三次諧波分量可以通過，主磁通可保持為正弦波而沒有三次諧波分量。 當(dāng)變壓器的繞組接成Y/△時，一次側(cè)勵磁電流中的三次諧波雖然不能通過，在主磁通中產(chǎn)生三次諧波分量，但因二次側(cè)為△接法，三次諧波電動勢將在△中產(chǎn)生三次諧波環(huán)流， 一次沒有相應(yīng)的三次諧波電流與之平衡，故此環(huán)流就成為勵磁性質(zhì)的電流。此時變壓器的主磁通將由一次側(cè)正弦波的勵磁電流和二次側(cè)的環(huán)流共同勵磁， 其效果與△/Y 接法時完全一樣，因此，主磁通亦為正弦波面沒有三次諧波分量，這樣三相變壓器采用△/Y 或Y/△接法后就不會產(chǎn)生因三次諧波渦流而引起的局部發(fā)熱現(xiàn)象。

這種方法是最基本的諧波治理方法，但這種方法只能控制企業(yè)內(nèi)部的3n（n=1、2、3……）次諧波不污染高壓電網(wǎng)，并不能有效控制企業(yè)內(nèi)部用電的諧波含量。

3.2 提高整流設(shè)備的相數(shù)

如上文所述，化工行業(yè)、直流軋鋼行業(yè)整流設(shè)備很多，而整流設(shè)備是產(chǎn)生高次諧波的主要設(shè)備，如5 次、7 次諧波。 理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1 和pk(p為整流相數(shù))。 當(dāng)整流相數(shù)由p 增大時，可以有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。 但整流變壓器相數(shù)增大時，制造成本會大幅上升，控制和保護(hù)難度也相應(yīng)的增加。

3.3 裝配無源濾波器（PF）

無源濾波裝置能夠吸收高次諧波，而且濾波支路對基波呈容性負(fù)載，可以滿足無功補(bǔ)償要求，不必另外并聯(lián)電容器補(bǔ)償功率因數(shù)，這種方法經(jīng)濟(jì)、簡便。 無源濾波器一般由RLC 組成，大致上可以分為六種類型。 分別為：1.單調(diào)諧濾波器2.雙調(diào)諧濾波器3.一階高通濾波器4.二階高通濾波器5.三階高通濾波器6.“C”式高通濾波器。

單調(diào)諧濾波器有通頻窄，濾波效果好，損耗小，調(diào)諧容易等特點(diǎn)，是企業(yè)使用最多的一種類型。

雙調(diào)諧波濾波器可代替兩個單調(diào)諧濾波器， 但只有一個電抗器，這個電抗器幾乎承受全部的沖擊電壓，并且接線較為復(fù)雜，調(diào)諧比較困難，所以僅在高壓系統(tǒng)中使用。

一階高通濾波器因基波損耗較大，不適合企業(yè)。 二階高通濾波器通頻帶很寬，濾波效果好，既可調(diào)諧振點(diǎn)，又可調(diào)諧曲線銳度，并可防止意外共振與放大，二階高通濾波在企業(yè)中使用面也非常的廣。 三階高通器一般用在電弧爐濾波。

“C”式高通濾波器，用于電弧爐濾波，對于二次諧波特別有效。

上述幾種無源濾波器（PE）盡管對電網(wǎng)的諧波起到一定的凈化作用，但它們都有很大的局限性，不能對諧波進(jìn)行全面管理或僅僅局限在一定的范圍內(nèi)。 這些方式都是被動的消除諧波，不能隨著諧波變化而變化。

3.4 裝配有源濾波器（APE）

有源濾波器的核心部分是諧波電流發(fā)生器與控制系統(tǒng)，它對非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行采樣、分析并建立頻譜圖，按照頻譜圖向電網(wǎng)側(cè)輸送一個與非線性負(fù)載相反的諧波， 調(diào)整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，提高功率因數(shù)，有效抑制2~25 次諧波2。

有源濾波器能夠同時消除不同次數(shù)的諧波，但目前價格不菲。

4 結(jié)束語

總之，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自己行業(yè)特點(diǎn)、企業(yè)的工況特點(diǎn)，針對產(chǎn)生不同次數(shù)諧波的含量，以及綜合考慮治理諧波的經(jīng)濟(jì)性，合理選擇適合自身的治理諧波的手段和方法，以達(dá)到優(yōu)化用電環(huán)境，提升用電質(zhì)量的目的。

［1］呂正勸.中低壓電網(wǎng)的諧波治理[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(02)：73.

［2］段宇.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)的研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2012.