淺析諧波治理對(duì)提升供電質(zhì)量效果

邢海波 孫蒙

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠 天津 300163）

淺析諧波治理對(duì)提升供電質(zhì)量效果

邢海波 孫蒙

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠 天津 300163）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電能質(zhì)量意識(shí)不斷加強(qiáng)，尤其重視安全用電和節(jié)能降耗，由于變頻設(shè)備、整流設(shè)備等的廣泛應(yīng)用，供電變壓器及輸電線路電壓/電流畸變率較高，諧波電流較大，存在一定電能質(zhì)量方面的隱患，需要進(jìn)行電網(wǎng)諧波治理。諧波治理在改善電能質(zhì)量的同時(shí)，還具有一定節(jié)電降耗的效果，綜合效益顯著。

諧波；治理；電能；質(zhì)量

1 電能質(zhì)量問題及諧波的產(chǎn)生

諧波(harmonics)：頻率為電源基波頻率（50Hz）整數(shù)倍的正弦分量。

對(duì)企業(yè)而言，影響電能質(zhì)量的主要問題是無功和諧波。無功問題已普遍得到企業(yè)的重視并給予有效解決。

近幾年來煙草行業(yè)不斷技術(shù)改造，使企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)程度明顯提高，由于變頻調(diào)速設(shè)備、整流設(shè)備等電力電子裝置的大量使用，使企業(yè)用電系統(tǒng)諧波含量大增，電能質(zhì)量日趨下降。目前諧波已成為影響企業(yè)電能質(zhì)量的主要原因。

因電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的設(shè)備故障率日益增長(zhǎng)和配電系統(tǒng)異常等現(xiàn)象，使得解決諧波等電能質(zhì)量問題，成為煙草企業(yè)電能質(zhì)量改善迫在眉睫的事情。

國家技術(shù)監(jiān)督局在1993年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549－1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測(cè)試方法，為我們進(jìn)行諧波測(cè)試分析及治理提供了依據(jù)。

2 諧波的主要危害以及在煙草行業(yè)反映

2.1 引起電網(wǎng)諧振，燒毀元器件、損壞設(shè)備。如補(bǔ)償柜中電容爆炸。

2.2 產(chǎn)生附加諧波損耗，降低設(shè)備的使用效率。如能耗增大。

2.3 加速設(shè)備絕緣老化，降低設(shè)備的使用壽命。如設(shè)備運(yùn)行噪音增大、震動(dòng)加劇、溫度上升，設(shè)備故障率上升，維護(hù)費(fèi)用增加。

2.4 導(dǎo)致控制裝置誤動(dòng)作。如配電系統(tǒng)開關(guān)出現(xiàn)非正常跳閘現(xiàn)象。

2.5 使電子信號(hào)失真，導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。如諧波可使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)量混亂。

2.6 對(duì)鄰近的電子設(shè)備和通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。如已有多家煙廠發(fā)生生產(chǎn)線通訊系統(tǒng)中斷，生產(chǎn)線癱瘓，中斷故障點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn)，沒有規(guī)律可循。

2.7 諧波嚴(yán)重到一定程度，可使部分設(shè)備無法正常投入。如有煙廠微波除濕殺菌生產(chǎn)線不能正常投入。

3 諧波治理方法

3.1 無源濾波器

對(duì)諧波源產(chǎn)生的諧波電流，采用電力濾波裝置就近治理的方式，是抑制諧波污染的有效方式。一般采用由電力電容器、電阻器和電抗器組成的無源濾波系統(tǒng)進(jìn)行濾波。無源濾波器對(duì)某一頻率的電網(wǎng)諧波呈低阻抗態(tài)，通過與電網(wǎng)阻抗形成分流，實(shí)現(xiàn)大部分該頻率的諧波進(jìn)入濾波器得以消除。無源濾波器的工作原理如圖1所示。

圖1 無源濾波器系統(tǒng)工作原理圖

無源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高以及投資低等優(yōu)點(diǎn)，在諧波治理及無功補(bǔ)償?shù)确矫鎻V泛應(yīng)用。但是，無源濾波器是通過在電網(wǎng)系統(tǒng)中形成并聯(lián)低阻通路而起到濾波作用，因其濾波特性是由電網(wǎng)系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，故而存在以下缺點(diǎn)∶

3.1.1 諧波治理的局限性，只能消除某些特定的諧波，而對(duì)某些頻次的諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用；

3.1.2 濾波器的濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大；

3.1.3 濾波需求和無功補(bǔ)償?shù)纫笥袝r(shí)難以兼具；

3.1.4 諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)荷相應(yīng)加重，可能會(huì)造成濾波器過載；

3.1.5 濾波器體積較大，消耗材料較多。

3.2 有源濾波器

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，諧波治理的研究逐步由無源濾波轉(zhuǎn)向有源濾波。與無源濾波器相比，有源電力濾波器在可控性和系統(tǒng)響應(yīng)等方面有顯著提高，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可補(bǔ)償無功、抑制電網(wǎng)閃變等，兼具多種功效。其特點(diǎn)如下：

3.2.1 濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響，消除了濾波器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；

3.2.2 具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤并補(bǔ)償變化的諧波。

3.2.3 有源電力濾波器具有體積小、占地少等特點(diǎn)，但系統(tǒng)成本較高。

圖2 有源濾波器系統(tǒng)工作原理圖

有源電力濾波器的工作原理如上圖2所示，有源電力濾波器系統(tǒng)主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩大部分組成。系統(tǒng)通過檢測(cè)被補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流瞬時(shí)值，經(jīng)指令電流運(yùn)算得出諧波補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，再經(jīng)控制變流器產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流，經(jīng)與負(fù)載電流中需補(bǔ)償?shù)闹C波電流分量相抵消，獲得所期望的電網(wǎng)電流。諧波補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐啡鐖D3所示：

圖3 有源濾波器諧波補(bǔ)償?shù)刃щ娐穲D

由圖3可知，電網(wǎng)諧波電流存在以下關(guān)系：

通過控制有源電力濾波器的輸出電流Ich，使其滿足Ih=ILh，電網(wǎng)側(cè)的諧波電流即可消除，使得Ish=0。

4 諧波治理措施

4.1 工作方式

根據(jù)諧波源的具體情況可以選擇總補(bǔ)償、局部補(bǔ)償及就地補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償方式。

有源電力濾波器以并聯(lián)的方式接入，如下圖所示：（總補(bǔ)償方式）

圖4 有源濾波器并聯(lián)接入方式

4.2 諧波治理的效果

電壓等級(jí)不同，公用電網(wǎng)的電壓諧波限值也不相同。電壓等級(jí)越高，電壓諧波限制越嚴(yán)。表1給出了0.38kV公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值，表2給出了0.38kV公用電網(wǎng)諧波電流限值。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

表2 公用電網(wǎng)諧波電流限值

下面舉例說明有源電力濾波器在煙草企業(yè)的諧波治理效果：

例：某煙廠除塵設(shè)備諧波就地補(bǔ)償治理前后的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如下圖，濾波器型號(hào)為150A三相三線有源電力濾波器。為準(zhǔn)確客觀反映有源電力濾波器的諧波治理效果，測(cè)試數(shù)據(jù)為濾波器投入前與投入后，相同工況、相同測(cè)試方式下測(cè)得，考慮到設(shè)備三相負(fù)荷基本平衡，這里僅選A相數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 補(bǔ)償前后A相電流諧波分布圖

圖6 補(bǔ)償前后A相電壓電流波形圖

從以上諧波治理前后實(shí)際測(cè)試電流圖形可以看出：

4.2.1 諧波治理后電能質(zhì)量得到明顯改善：A相電流總畸變率THDi由設(shè)備投入前的23%減少到2.3%，電流波形從不規(guī)則的m形變?yōu)檩^理想的正弦波，5次、7次等主要諧波分量出現(xiàn)明顯降低甚至消除。

4.2.2 濾波器諧波補(bǔ)償率μ：

式中，IH——治理前總諧波電流，I'H——治理后總諧波電流。

經(jīng)計(jì)算，濾波器諧波補(bǔ)償率達(dá)到91%，濾波效果較為顯著。同時(shí)電壓畸變率也得到了很大程度的降低，達(dá)到國標(biāo)要求。

4.2.3 節(jié)電效果顯著：A相負(fù)載總電流由設(shè)備投入前的414A減少到393A，總電流降低5.1%以上。可見，有源電力濾波器在有效治理諧波的同時(shí)，還具有一定的節(jié)能經(jīng)濟(jì)意義。

5 結(jié)語

本文介紹了諧波產(chǎn)生的原因及危害，并給出了目前主要采取的諧波治理方式，最后以煙草企業(yè)為例探討與評(píng)價(jià)了諧波治理的效果，對(duì)于煙草企業(yè)的諧波治理工作具有一定的參考價(jià)值。同時(shí)可以看到，諧波治理對(duì)于企業(yè)電能質(zhì)量的提升是一項(xiàng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的工作。（1）諧波治理可以提高企業(yè)設(shè)備的供電質(zhì)量，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低因設(shè)備誤動(dòng)作等造成的經(jīng)濟(jì)損失；（2）諧波治理可以降低諧波電流在線路上產(chǎn)生的熱損耗，減少用電設(shè)備發(fā)熱量，減緩絕緣的老化，從而可以提高設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備維修、更換等方面支出；（3）諧波治理會(huì)降低企業(yè)電網(wǎng)中補(bǔ)償電容器的諧振機(jī)率，減少諧波分量對(duì)通訊信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，增加系統(tǒng)的可靠性；最后，諧波治理可以凈化公用電網(wǎng)的電能環(huán)境，并且具有一定的節(jié)能經(jīng)濟(jì)意義。

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