淺析火力發(fā)電廠的諧波與抑制

黃臻

（華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522）

諧波存在于電力系統(tǒng)從發(fā)電端到用戶端的全過程每一個環(huán)節(jié)。抑制諧波，既能有效減少電能損耗、消除影響設備壽命的不利因素，又能改善電磁環(huán)境，提高發(fā)供電設備的運行穩(wěn)定性。

1 諧波的定義和檢測

諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，處理得到與電網(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（n=fn/fl）稱為諧波次數(shù)。

發(fā)電廠諧波主要是發(fā)電廠電氣系統(tǒng)之中存在非線性電力元件和負載產(chǎn)生的。主要有非阻性負載（容性負載、感性負載）和電力電子變流設備等。非線性負載的電流和電壓為非線性關(guān)系，電流非正弦波，引起電壓波形發(fā)生畸變。這種非線性負載除了產(chǎn)生基于基頻整次倍的諧波，也可產(chǎn)生低于基頻的次諧波和大于基頻的非整數(shù)倍的諧波。國家標準《電能質(zhì)量：公共電網(wǎng)諧波》GB/T 14549-1993規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流允許值，是目前發(fā)電廠諧波管理重要的技術(shù)依據(jù)。

諧波電流、電壓和諧波阻抗是諧波檢測的三個最基本參數(shù)。測量諧波電流一般采用低感分流器和電子式電鉗的測量方法。測量諧波電壓一般采用電阻分壓器或電容分壓器的測量方法。諧波測量設備一般基于快速傅立葉分析原理，由模擬濾波器和模擬（數(shù)字）相關(guān)器或計算機組成。諧波阻抗測量一般是對所測量的系統(tǒng)外加一個可控諧波電流源，分別測量其電壓的幅值、相位。實際工作中，通常采用電能質(zhì)量分析儀、諧波檢測儀來監(jiān)測和分析諧波。將負載或電氣設備接入系統(tǒng)的公共連接點選為諧波測量點，測量此點的電壓以及注入系統(tǒng)的電流，取得需要的諧波數(shù)據(jù)。

2 發(fā)電廠常見諧波源

向電氣系統(tǒng)注入諧波電流以及在電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波電壓的設備統(tǒng)稱為諧波源。非線性電氣設備是主要的諧波來源。根據(jù)諧波的定義可以得出，電力系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波，在配電和用電這兩個環(huán)節(jié)上產(chǎn)生諧波的設備數(shù)量最多。發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)和發(fā)電機組電氣和熱工保護控制系統(tǒng)恰恰就屬于配電和用電這兩個環(huán)節(jié)。由于電力諧波知識專業(yè)性強，了解的人員較少，往往未引起足夠的重視。

（1）發(fā)電廠大型同步發(fā)電機可產(chǎn)生一定數(shù)量的諧波。在理想狀態(tài)下，發(fā)電機的三相繞組完全對稱，鐵芯完全均勻一致，并不會產(chǎn)生諧波。但理想狀態(tài)下的發(fā)電機在實際應用的發(fā)電廠中是不存在的。由于材料、工藝、加工精度等客觀條件的限制，發(fā)電機制造既做不到三相繞組完全對稱，也做不到鐵芯完全均勻一致。發(fā)電機產(chǎn)生少量的諧波是不可避免的。

（2）發(fā)電廠電力變壓器是重要的諧波來源之一。由于變壓器鐵芯存在飽和現(xiàn)象，非線性特征明顯，變壓器的激磁電流中含有3、5、7等奇次諧波分量。由于一般變壓器的原副邊繞組總有一個三角形接法，為3次諧波提供了通路，3次諧波無法流入電網(wǎng)，流入電網(wǎng)為高于3次的5、7等奇次諧波。所以變壓器注入電網(wǎng)的電流含大量奇次諧波，諧波電流的大小與變壓器鐵芯飽和度正相關(guān)，鐵芯飽和度越高，產(chǎn)生的諧波電流就越大，危害性也就越大。

（3）發(fā)電廠采用晶閘管整流技術(shù)的設備，是產(chǎn)生諧波的重要來源之一。在發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)充電裝置、UPS、開關(guān)電源、汽機快冷裝置、螺栓加熱器、控制設備直流電源等都離不開晶閘管整流技術(shù)。這些設備應用范圍廣、數(shù)量大，且都會產(chǎn)生大量的諧波。從數(shù)量來說是發(fā)電廠最大的諧波源。

（4）發(fā)電廠廣泛使用的高低壓變頻器是產(chǎn)生諧波的重要來源之一。變頻技術(shù)在發(fā)電廠節(jié)能技術(shù)改造應用中越來越普遍。變頻器按照額定電壓來分，主要有兩大類，一種是高壓變頻器，主要應用在變載的大型風機、水泵上，如發(fā)電廠吸、送風機、凝升泵、凝結(jié)泵、循環(huán)泵等；另一種是低壓變頻器，主要用在給粉機、給煤機、電梯和消防系統(tǒng)穩(wěn)壓泵等一些小型水泵或風機等方面。近年來，高壓變頻器技術(shù)發(fā)展較快，應用在發(fā)電廠凝升泵、循環(huán)泵、六大風機等節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。尤其是交-交高壓變頻器技術(shù)發(fā)展和國產(chǎn)化程度的提高，促進了高壓變頻器迅速普及，變頻器設備大量應用。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網(wǎng)造成嚴重的諧波污染。由于使用數(shù)量較大，在諧波源中的作用更不可忽視。

（5）充氣電光源是發(fā)電廠典型的諧波來源之一。作為發(fā)電廠主要照明設備的充氣電光源，是應用氣體放電原理的最常見電氣設備。這種具有明顯非線性特征的用電設備，在發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場使用數(shù)量最大，應用范圍最廣，存在于發(fā)電廠各個系統(tǒng)的各個角落。如日光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、高壓汞燈等。

（6）用電環(huán)節(jié)中的電氣設備也能產(chǎn)生一定量的諧波。如發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場大量使用的空調(diào)器和計算機、顯示器、電子電器等，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件而產(chǎn)生一定數(shù)量的諧波。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中大量使用各種電動機，也能產(chǎn)生一定量的諧波，也是不可忽視的諧波來源。

3 諧波在發(fā)電廠中的危害性

對于發(fā)電廠而言，諧波干擾往往是容易被忽視的重大危險源。由于發(fā)電廠配置的自動控制、保護、測量裝置采用大量的電子元件，容易受到諧波干擾產(chǎn)生誤動，一旦控制裝置誤動將直接威脅發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。諧波往往會引起故障錄波器誤啟動。系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動和拒動，往往與諧波有關(guān)。配電系統(tǒng)中諧波引起的諧振過電壓，有可能造成絕緣類故障。諧波超標會嚴重威脅發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（1）諧波對于變壓器的影響。諧波電流會使變壓器鐵損增加，引起鐵芯過熱，降低變壓器效率，影響變壓器壽命。

（2）諧波對于電氣電容器的影響更為直接和顯著。由于電容對于高次諧波的阻抗很小，很容易造成過載損壞。所以對于電容器設計和選型應考慮諧波因素的影響。

（3）對斷路器而言，一般其分合閘回路元件為電磁線圈，可能受諧波的影響誤動。同時，在分閘過程中，由于諧波的存在，當斷路器在電流過零時會因為諧波疊加造成開斷困難，延長了故障電流的切斷時間。

（4）發(fā)電廠主輔系統(tǒng)中普遍使用的異步電動機，會因為諧波的存在造成附加損耗增加，同時也會降低電動機的出力。

（5）電能表是發(fā)電廠重要的計量工具，關(guān)口電能表更是發(fā)電廠關(guān)乎經(jīng)濟效益的核心計量設備。諧波直接危害是可能會引起電能表計量誤差增加，甚至是計量失效。由此計量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析用于機組或系統(tǒng)的調(diào)整也會產(chǎn)生偏差，使得機組或系統(tǒng)難以運行在最佳經(jīng)濟方式下，更會因計量誤差的增大帶來直接的經(jīng)濟損失。

（6）對于電力電子變流設備，諧波有可能造成晶閘管誤觸發(fā)，導致設備故障停運甚至是損壞，也容易引起連鎖反應威脅機組的安全穩(wěn)定運行。

（7）高次諧波會干擾發(fā)電廠通信及信息處理設備，影響它們的穩(wěn)定運行。

（8）諧波對于人體的危害，主要是對大腦、心臟的影響以及諧波噪聲對人體健康的影響。

4 發(fā)電廠抑制諧波的措施和方法

管理諧波的思路主要是抑制諧波，就是采取消除或補償?shù)仁侄螌⒅C波量控制在較低的安全范圍內(nèi)。對于發(fā)電廠而言，抑制諧波主要采取如下針對性措施：

（1）重視諧波的危害和掌握諧波相關(guān)知識非常重要。在管理層面和技術(shù)層面上采取措施，加強對諧波標準、規(guī)范的培訓和學習，明確抑制諧波是保證電網(wǎng)（包括發(fā)電廠）和設備安全穩(wěn)定運行的基本保證。讓從業(yè)者認識什么是諧波，如何測量和評價，了解諧波的成因和危害，掌握抑制諧波的方法和措施。

（2）重視源頭治理。嚴把設計選型關(guān)，新上或改造的設備，在設計、選型方面應將該設備的諧波污染度作為基本指標進行審核，滿足國家標準對諧波限制的要求。一方面嚴格根據(jù)有關(guān)標準審查新設備的有關(guān)參數(shù)，防止諧波超標的設備接入系統(tǒng)（如整流設備要求采用不低于12脈沖整流技術(shù)，可消除5、7次諧波等）。另一方面防止電磁兼容不合格的設備接入系統(tǒng)，引起設備的不正常運行。

（3）發(fā)現(xiàn)不明原因的設備誤動或拒動，不可輕易放過?？煽紤]進行諧波檢測分析，查找諧波源產(chǎn)生的位置和原因，判斷是否產(chǎn)生了超標的諧波污染。

5 結(jié)語

諧波管理是發(fā)電廠電氣技術(shù)管理中的一個容易忽略的工作，也是電氣技術(shù)管理更高層次的要求。諧波的檢測、抑制等控制措施是改善電能品質(zhì)、提高發(fā)電設備運行穩(wěn)定性的重要手段。加強諧波管理既能保證電能質(zhì)量，又能降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高發(fā)電設備運行穩(wěn)定性，滿足發(fā)電廠安全穩(wěn)定運行的需要。