某廠多能流耦合下的電網(wǎng)諧波交互特性分析及治理方案優(yōu)化

關(guān)鍵詞：多能流耦合；電網(wǎng)諧波；交互特性；有源電力濾波器；FFU風(fēng)機(jī)中圖分類號：TM922文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-0797（2025）13-0008-05DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.003

0 引言

隨著工業(yè)電氣化與電力電子技術(shù)的發(fā)展，多能流耦合系統(tǒng)中諧波交互特性日趨復(fù)雜，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)電能質(zhì)量與設(shè)備安全[。某電子玻璃潔凈廠房FFU（FanFilterUnit，風(fēng)機(jī)過濾單元）系統(tǒng)因直流電機(jī)硅整流及變頻調(diào)速運(yùn)行，產(chǎn)生以3次、5次為主的諧波污染，導(dǎo)致中性線電流超500A、電纜溫度 73^°C 等安全隱患。本文針對多能流耦合下諧波傳播機(jī)理，以該FFU系統(tǒng)為研究對象，分析諧波交互特性，提出基于有源電力濾波器的近源補(bǔ)償優(yōu)化策略，并通過工程實(shí)測驗(yàn)證其對諧波抑制與能效提升的有效性。

1多能流耦合下電網(wǎng)諧波交互特性分析

1.1 研究問題提出

在工業(yè)電氣化進(jìn)程中，多能流耦合系統(tǒng)（如電力、控制信號、能量傳輸?shù)榷嗑S度能量流交互）的諧波問題呈現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性。當(dāng)非線性負(fù)載（如變頻器、整流設(shè)備）接入多能流耦合電網(wǎng)時(shí)，諧波電流會(huì)通過不同能量流路徑產(chǎn)生疊加與耦合傳播，導(dǎo)致諧波污染范圍擴(kuò)大、危害程度加劇。這種交互特性使得傳統(tǒng)單一諧波源的治理策略難以奏效，因此，亟需揭示多能流耦合下諧波的傳播機(jī)理與疊加規(guī)律[2]。

某電子玻璃廠3個(gè)潔凈主廠房FFU系統(tǒng)，每個(gè)主廠房兩條生產(chǎn)線共有670臺FFU，F(xiàn)FU分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩種形式，該廠采用直流電機(jī)，相較于交流電機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是功耗低、節(jié)約能耗，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，有利于滿足潔凈工藝生產(chǎn)要求。研究以其中一個(gè)主廠房FFU系統(tǒng)作為典型多能流耦合分析場景，其直流電機(jī)因硅整流及變頻調(diào)速運(yùn)行，成為主要諧波源。實(shí)測數(shù)據(jù)（圖1）表明，該系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波以3次、5次為主（3次諧波電流畸變率達(dá) 52% ，相線總電流178A） ，且由于3次諧波的零序特性，在中性線中形成電流疊加（中性線總電流超 500A） ，導(dǎo)致電纜溫度升至 73^°C ，功率因數(shù)低至0.82，引發(fā)設(shè)備過熱、變頻器誤動(dòng)作等安全隱患。此類非線性負(fù)載與多能流電網(wǎng)的交互作用，使得諧波對電網(wǎng)的影響從單一設(shè)備擴(kuò)展至整個(gè)供電系統(tǒng)，亟需針對其交互特性開展治理策略研究。

1.2 諧波交互特性建模與測試

1.2.1基于FFU拓?fù)涞闹C波生成機(jī)理分析

FFU系統(tǒng)采用單相直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含硅整流電路與變頻調(diào)速模塊，二者均為典型非線性元件。硅整流電路在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電時(shí)，由于二極管或晶閘管的非線性導(dǎo)通特性，會(huì)產(chǎn)生大量3、5、7、9、11、13次奇次諧波，其中3次諧波占比最高（實(shí)測THDI達(dá) 52% ，3次諧波相線總電流178A）。變頻調(diào)速模塊通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，其開關(guān)動(dòng)作會(huì)引入高頻諧波分量，與整流諧波疊加后形成復(fù)雜的諧波頻譜[3]。

從拓?fù)涮匦钥?，F(xiàn)FU的直流電機(jī)供電回路可等效為非線性負(fù)載模型：當(dāng)輸入正弦電壓時(shí)，整流器輸出非正弦電流，其頻譜包含基波與3、5、7次等奇次諧波。特別地，3次諧波作為零序分量，在三相系統(tǒng)中相位相同，導(dǎo)致中性線電流呈現(xiàn)“3倍疊加\"特性一實(shí)測中FFU供電中性線總電流達(dá)552A，遠(yuǎn)超電纜安全負(fù)荷，印證了3次諧波的主導(dǎo)作用。

1.2.2 多能流耦合下諧波傳播路徑仿真與實(shí)測驗(yàn)證

在多能流耦合場景中，F(xiàn)FU諧波通過電力流與控制信息流的交互路徑傳播[4]。

電力流傳播路徑：諧波電流從FFU設(shè)備出發(fā)，經(jīng)二次配電箱 $$ 一次配電箱 $$ 低壓開關(guān)柜 $$ 變壓器，滲透至整個(gè)電網(wǎng)。實(shí)測顯示，1#廠房FFU運(yùn)行時(shí)，變壓器低壓側(cè)中性線電流達(dá)584.6A，電纜溫度升至 73^°C ，斷路器局部溫度 70^°C ，均超過安全閥值。FFU供配電線路如圖2所示。

耦合交互路徑：諧波電壓通過電網(wǎng)阻抗耦合至控制信號回路，干擾PLC、傳感器等電子設(shè)備。例如，F(xiàn)FU變頻器誤動(dòng)作案例中，諧波導(dǎo)致控制信號畸變，觸發(fā)過流保護(hù)誤跳閘。

通過PSCAD/EMTDC仿真平臺對FFU供配電系統(tǒng)建模，設(shè)置670臺FFU并聯(lián)運(yùn)行場景，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合：3次諧波在中性線中形成電流疊加，傳播至變壓器側(cè)時(shí)中性線電流達(dá)500A以上，與現(xiàn)場測量的552A誤差小于 10% 。這驗(yàn)證了多能流耦合下諧波的“源-網(wǎng)-負(fù)荷\"交互傳播特性。

1.2.3 諧波對電網(wǎng)設(shè)備的影響量化

諧波對系統(tǒng)的危害通過以下維度量化[5]：

1電氣設(shè)備過熱風(fēng)險(xiǎn)：諧波電流導(dǎo)致電纜集膚效應(yīng)加劇，實(shí)測治理前電纜溫度 .73^°C （安全限值 50^°C） ，斷路器溫度 70^°C ，設(shè)備絕緣老化速率提升3倍。研究表明，電纜運(yùn)行溫度每升高 8～10^°C ，電纜的使用壽命縮短一半[6]。

2）功率因數(shù)劣化：非線性負(fù)載消耗無功功率，實(shí)測FFU供電回路功率因數(shù)低至 ，導(dǎo)致變壓器容量利用率下降 18% ，年無功損耗達(dá)12.5萬kW·h。

3設(shè)備誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)：諧波干擾導(dǎo)致電機(jī)控制變頻器誤動(dòng)作率增加 123% ，電子測量儀器誤差超過 ±5% 如治理前FFU轉(zhuǎn)速傳感器因諧波干擾出現(xiàn) ±10% 的測量偏差。

綜上所述，F(xiàn)FU系統(tǒng)的諧波交互特性呈現(xiàn)“非線性生成-多路徑傳播-多設(shè)備影響\"的鏈?zhǔn)叫?yīng)，亟需制定科學(xué)的針對性治理策略。

2多能流諧波治理方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 治理技術(shù)對比與選型

在多能流耦合場景中，有源電力濾波器（APF）存在集中補(bǔ)償、支路補(bǔ)償與就地補(bǔ)償三種典型補(bǔ)償模式。集中補(bǔ)償將APF安裝于低壓開關(guān)柜出線側(cè)，以主廠房為單位統(tǒng)一治理，雖施工便捷但諧波抑制范圍有限；支路補(bǔ)償則將APF部署于一次或二次配電箱支路出線側(cè)，按供電支路分區(qū)治理，可針對性抑制局部諧波，但補(bǔ)償精度仍受限于距離諧波源的位置；就地補(bǔ)償則直接在FFU設(shè)備本體安裝APF，通過最靠近諧波源的治理點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)償。

對比三種模式在多能流耦合場景的適用性：集中補(bǔ)償成本最低，但因距諧波源較遠(yuǎn)，難以消除線路傳播中的諧波疊加，對中性線電流高、諧波交互復(fù)雜的FFU系統(tǒng)效果有限；支路補(bǔ)償成本適中，可減少支路范圍內(nèi)的諧波干擾，但無法阻斷諧波在不同支路間的耦合傳播；就地補(bǔ)償雖成本最高，但能從諧波產(chǎn)生源頭實(shí)時(shí)抑制，徹底切斷多能流耦合下的諧波交互路徑，尤其適用于FFU這類數(shù)量多、諧波源密集的非線性負(fù)載場景。

基于多能流耦合下諧波“源-網(wǎng)-負(fù)荷\"交互傳播特性，課題組綜合考量治理效果與系統(tǒng)兼容性，最終選擇就地補(bǔ)償方案。該方案通過在每臺FFU設(shè)備本體安裝APF，實(shí)現(xiàn)對3次、5次諧波的近源動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從根本上解決中性線電流疊加、設(shè)備過熱等問題，相比其他方案更能適應(yīng)多能流耦合系統(tǒng)的復(fù)雜諧波環(huán)境。

2.2 近源補(bǔ)償優(yōu)化策略

2.2.1基于諧波交互傳播路徑的治理點(diǎn)選擇在多能流耦合系統(tǒng)中，F(xiàn)FU諧波經(jīng)“設(shè)備-線路-電網(wǎng)\"電力流及“諧波電壓-控制信號\"耦合路徑傳播，形成復(fù)雜污染。本研究基于諧波源定位與傳播機(jī)理，選擇在FFU設(shè)備本體安裝APF的就地補(bǔ)償方案，其優(yōu)勢在于：1）可以在諧波注入電網(wǎng)前實(shí)時(shí)抵消，如1#廠房中性線總電流從584.6A降至83A，降幅達(dá)85.8%;2） 縮短APF與諧波源距離，減少電壓畸變（從52% 降至 1.2% ，避免對控制設(shè)備干擾；3還能針對670臺FFU動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)3次諧波占比超 50% 的特性獨(dú)立補(bǔ)償，適配負(fù)載分散性與動(dòng)態(tài)性。

2.2.2 動(dòng)態(tài)諧波抑制算法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對FFU諧波的動(dòng)態(tài)抑制，APF采用“實(shí)時(shí)檢測-快速補(bǔ)償\"閉環(huán)控制策略：基于瞬時(shí)無功功率理論（ip-iq法）對輸入電流頻域進(jìn)行分解，快速提取3次、5次等諧波分量，實(shí)測3次諧波檢測精度達(dá) 98.7% 、響應(yīng)時(shí)間 lt;5ms ；通過DSP生成與諧波電流幅值相等、相位相反的補(bǔ)償指令，經(jīng)PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)IGBT模塊注入反相電流，如3次諧波相線總電流從178A抑制至 30.8A 。算法集成諧波抑制與功率因數(shù)校正，自適應(yīng)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，同步實(shí)現(xiàn)THDI從 52% 降至 1.2% ，功率因數(shù)從0.82升至0.99。

3 治理實(shí)施與效果驗(yàn)證

3.1 工程實(shí)施與數(shù)據(jù)監(jiān)測

針對1#廠房670臺FFU設(shè)備的諧波問題，采用蘇州市恩威特環(huán)境技術(shù)有限公司的“有源電力濾波器（APF）就地補(bǔ)償\"方案。具體實(shí)施步驟如下：

1設(shè)備安裝：每臺FFU設(shè)備本體安裝獨(dú)立APF模塊，直接接入FFU電源輸入端，確保治理點(diǎn)緊鄰諧波源。

2）系統(tǒng)調(diào)試：通過APF內(nèi)置的DSP控制器實(shí)時(shí)檢測諧波分量，動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)償電流參數(shù)，確保3次、5次諧波抑制精度。調(diào)試期間，使用Fluke電能質(zhì)量分析儀對每臺FFU的電流波形進(jìn)行校準(zhǔn)，確保補(bǔ)償電流與諧波相位嚴(yán)格反向。

3協(xié)調(diào)控制：所有APF模塊通過RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與中央監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)諧波抑制策略的集中優(yōu)化與動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。

通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比治理前后的核心指標(biāo)變化，如表1所示。

3.2 多維度效果評估

3.2.1 諧波抑制效果

如圖3所示，治理后，系統(tǒng)電壓畸變率從治理前的 52% 顯著降至 1.2% ，遠(yuǎn)低于國標(biāo)GB/T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定的公共電網(wǎng)諧波電壓限值（400V電網(wǎng)電壓總畸變率 ≤5% 。3次諧波電流從178A降至30.8A，滿足國標(biāo)中“ 220V/ 380V電網(wǎng)中3次諧波電流限值 ?38A ”的要求，諧波頻譜中的奇次分量（如5次、7次諧波）也同步得到有效抑制。

如圖4所示，從頻譜分析來看，治理前3次諧波占比達(dá) 52% ，治理后各次諧波含量均控制在 1.5% 以內(nèi)，驗(yàn)證了APF近源補(bǔ)償對復(fù)雜諧波交互特性的抑制能力。

3.2.2 能效提升

系統(tǒng)功率因數(shù)從0.82提升至0.99，變壓器容量利用率提高約 18% 。經(jīng)實(shí)測，治理后有功功率從 222.6kW 降至 183.9kW ，功率減少 38.7kW ，按年運(yùn)行時(shí)間 3760h 計(jì)算 （24h×365 天），年節(jié)電量達(dá)33.9萬kW·h，折合電費(fèi)約21萬元[按0.62元/ （kW?h） 計(jì)]。同時(shí)，無功損耗顯著降低，電網(wǎng)傳輸效率提升，有效緩解了非線性負(fù)載對電網(wǎng)的能效損耗問題。

3.2.3 設(shè)備安全改善

電纜溫度從 .73^°C 降至 35^°C ，低于安全限值 （50^°C） ，絕緣老化速率從“每升高 8～10^°C 使用壽命縮短一半\"6恢復(fù)至正常水平，設(shè)備預(yù)期壽命延長3倍以上。中性線電流從584.6A降至 83A ，降幅達(dá) 85.8% ，徹底消除了電纜過熱引發(fā)的火災(zāi)隱患。此外，變頻器誤動(dòng)作率從治理前的 23% 降至 1% 以下，控制信號畸變率降低至 0.8% ，電子設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提升。

4結(jié)束語

本文針對多能流耦合系統(tǒng)中FFU的諧波交互問題，揭示了3次、5次諧波在多路徑傳播中的疊加機(jī)制，提出基于有源電力濾波器的近源補(bǔ)償策略。工程實(shí)測表明，該策略使中性線電流下降 85.8% ，電纜溫度降至安全閾值，功率因數(shù)提升至0.99，有效解決了設(shè)備過熱與電網(wǎng)能效損耗問題。研究成果為多能流耦合場景下非線性負(fù)載的諧波治理提供了可供復(fù)制的工程范式，未來可進(jìn)一步探索多類型諧波源協(xié)同治理與智能算法優(yōu)化，以適應(yīng)工業(yè)電氣化進(jìn)程中復(fù)雜電能質(zhì)量調(diào)控需求。

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收稿日期：2025-05-27

作者簡介：鐘力（1979一），男，陜西漢中人，高級工程師，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化。