電網(wǎng)諧波與無功功率的綜合治理分析

伍章田，李學(xué)政

（廣西柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

近年來，由中頻爐、變頻器等非線性負荷裝置產(chǎn)生的諧波和無功問題，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。因此本文對電網(wǎng)諧波與無功功率的產(chǎn)生原因及其對電網(wǎng)和同一電網(wǎng)中的其他設(shè)備的危害，進行了分析研究，并結(jié)合柳州五菱柳機動力有限公司關(guān)于諧波與無功補償綜合治理的實踐，對電網(wǎng)諧波治理和無功補償?shù)姆椒ā⒐?jié)能效果以及效益進行了有效的分析。

1 諧波與無功功率

1.1 諧波產(chǎn)生的原因

在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，應(yīng)該是提供具有正弦波形的電壓，但在實際中，供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波，是指一些頻率為基波頻率（在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率）整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的根本原因，是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備（又稱非線性負荷）供電的結(jié)果。高次諧波能導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞，因此，諧波含量是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

所有的非線性負載都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波的裝置主要如下：

（1）整流器與整流設(shè)備；

（2）影視設(shè)備，TV監(jiān)視器等；

（3）辦公類設(shè)備，如計算機、復(fù)印機、打印機、傳真機等；

（4）UPS電源系統(tǒng)、電梯；

（5）電子控制照明裝置，如調(diào)光、電子熒光燈整流器等；

（6）空調(diào)、微波爐，尤其是變頻調(diào)速裝置；可變頻驅(qū)動裝置則產(chǎn)生以5、7次諧波最為顯著，三相供電有6個脈沖橋式可控硅整流器的UPS電源，則沒有3次諧波，而以5、7次諧波最為顯著，三相供電有12脈沖可控硅整流器時，那么11、13次諧波則最為顯著。

1.2 無功功率產(chǎn)生的原因

無功功率，通俗地講，就是不消耗電能的用電設(shè)備所消耗的功率。比如把一只電容器接入交流電路中，電路就會對電容器進行充放電，這樣就形成電流，充電時，電容器蓄存電能；放電時，電容器把電能又還給電源。電容器這個用電設(shè)備，本身并不消耗電能，但它卻有功率（功率等于電壓乘以電流強度），這就是無功功率。電容器雖然不消耗電能，但是因為有電流，所以電力線路上會消耗電能（電線都有電阻），對供電的電源變壓器來說，更是一種負擔(dān)。因為變壓器的容量（它能提供的功率）是有限的，無功功率會占用變壓器的容量，使正常供電受到限制。同樣，把一只電感器接入交流電路，也會產(chǎn)生無功功率。不過電容器使電流相位超前，而電感器使電流相位滯后，它們的作用正好相反，可以相互抵消。一般的用電設(shè)備，都是電感性的，如工廠里的電動機，它會產(chǎn)生感性無功功率，不但使電力線白白消耗電能，增加電力線路的負擔(dān)，更是白白占用電源變壓器的容量，是非常有害的。

2 五菱柳機中頻爐運行狀況

2.1 用電現(xiàn)狀

柳州五菱柳機動力有限公司的兩臺中頻電爐（分別為1號爐和2號爐），兩臺中頻爐額定容量均為（1506+1506）kW，整流變雙繞組輸出分別為Y接接，組成12脈波整流器。中頻爐的接線圖如圖1所示。

圖1 中頻爐所在線路接線圖

2.2 存在問題

通過調(diào)研、勘察和測試分析，確定了公司電能質(zhì)量問題主要是中頻爐負荷所在線路諧波污染嚴(yán)重、功率因數(shù)偏低和三相平衡問題，其中諧波污染和功率因數(shù)偏低問題較為嚴(yán)重。

2.2.1 諧波污染

中頻爐所在線路變壓器低壓（575 V）側(cè)和高壓側(cè)都有電流諧波，低壓側(cè)電流主要成分是5、7次諧波，諧波畸變率高達32.4%。高壓側(cè)電流諧波主要次數(shù)是11、13次諧波，總諧波畸變率是14.8%。

諧波不僅會消耗系統(tǒng)的無功功率儲備，其危害還主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，增加變壓器和旋轉(zhuǎn)電機的損耗；

（2）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗；

（3）電力電容器引起的諧波放大。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗，要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多；

（4）引起電能計量的誤差，干擾通訊系統(tǒng)。

因此，無論是從保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度，還是從柳州五菱柳機動力公司本身用電設(shè)備的安全、正常工作的角度，有效進行治理諧波，將其限制在允許范圍之內(nèi)，還電網(wǎng)一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網(wǎng)”，已經(jīng)迫在眉睫。

2.2.2 功率因數(shù)偏低

五菱柳機兩臺中頻爐是由原來的工頻爐改造而成，工頻爐拆除后，其附屬的無功補償裝置一并拆除，新改造的中頻路尚未安裝無功補償，因諧波嚴(yán)重，普通的不帶消諧功能的無功補償裝置不能投入。

根據(jù)2008年1月用戶用電情況，1＃爐所在線路功率因數(shù)為0.871 4，2＃爐所在線路功率因數(shù)為0.835 1，可見兩路10 kV進線側(cè)功率因數(shù)均不達標(biāo)。

無功功率只是用來建立和維持磁場，完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，不對外做功，為系統(tǒng)提供電壓支撐，在電源與負荷之間提供電壓跌落所需要的勢能。大量無功電流在電網(wǎng)中的流動，會導(dǎo)致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴(yán)重。無功功率對電力系統(tǒng)的影響如下：

（1）對有功功率的影響。無功功率的傳輸需要消耗有功功率，當(dāng)線路的輸送能量一定時，無功功率越小，傳輸?shù)挠泄β誓芰υ酱蟆?/p>

（2）對電壓的影響。電力系統(tǒng)無功功率平衡影響電壓水平，無功電源充足時，電壓水平高，反之則低。

（3）對線損的影響。無功電源的布局、傳輸和管理，直接關(guān)系到線路的損耗和電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定，輸送的有功功率一定時，總功率損耗完全取決于無功功率的大小。

2.2.3 三相不平衡

根據(jù)測量，公司用電存在三相不平衡問題，但不算嚴(yán)重，不平衡度為3.4%左右。

圖2 三相不平衡度監(jiān)測結(jié)果

3 綜合解決方案

由于柳州五菱柳機動力有限公司同時存在諧波污染嚴(yán)重和功率因數(shù)偏低的問題，因此采用了動態(tài)諧波治理和無功補償綜合解決方案，即：有源電力濾波器和高通濾波器組成動態(tài)諧波治理和無功補償綜合裝置4臺，對諧波和無功同時進行動態(tài)跟蹤補償，裝置與負載并聯(lián)使用。

3.1 綜合裝置原理圖

圖3為1＃中頻爐所在線路的諧波治理和無功補償綜合裝置（2＃中頻爐相同），中頻爐諧波的動態(tài)特性明顯，系統(tǒng)采用有源電力濾波器，實現(xiàn)諧波治理和動態(tài)無功分量補償。該方案將有源與無源配合使用，構(gòu)成混合式有源濾波器；有源濾波器優(yōu)先濾除11、13次特征諧波，無源濾波器對系統(tǒng)無功功率進行有效補償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；無源部分采用較高的電抗率，以防止有源部分產(chǎn)生的諧波與無源部分發(fā)生諧振。同時，只要在有源允許容量范圍內(nèi)，有源電力濾波器還可以適當(dāng)對負載側(cè)其它特征次諧波進行安全補償，達到對諧波的連續(xù)、動態(tài)治理的效果。

圖3 1＃中頻爐諧波治理和無功補償綜合解決方案

3.2 容量的計算

（1）諧波治理所需容量。柳州五菱柳機動力公司中頻爐熔煉階段單個繞組的相電流為

總諧波電流含量為

諧波治理方案中，中頻爐的諧波主要由有源電力濾波器濾除，有源電力濾波器濾除總諧波電流的73%，有源電力濾波器所需容量為

因此可采用300 kVA有源電力濾波器作為諧波治理的主要設(shè)備。

（2）無功補償所需容量。柳州五菱柳機動力公司無功補償方案中，無功補償指標(biāo)為補償后功率因數(shù)達0.93。中頻爐主要有3種工作狀態(tài)：加溫、熔煉、保溫。根據(jù)各負荷大小和補償前后功率因數(shù)的大小，確定無功補償所需容量如表1所示。

表1 中頻爐各種工況下的無功補償容量表

3.3 主要功能特點

（1）動態(tài)高速補償諧波電流。動態(tài)諧波和無功綜合治理裝置，可以快速補償各次動態(tài)諧波電流，使得電源側(cè)電流諧波含量降低，提高用戶的電能質(zhì)量；

（2）連續(xù)動態(tài)高速無功補償。對動態(tài)無功可以快速連續(xù)吸收或者釋放無功功率，響應(yīng)速度為3～10 ms；

（3）調(diào)節(jié)三相不平衡。動態(tài)無功諧波綜合治理裝置可以使三相有功電流平均分配，無功電流平衡。

（4）抑制電壓閃變、跌落，保證電壓穩(wěn)定。電壓突變，對設(shè)備和生產(chǎn)線危害很大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備損壞，動態(tài)無功諧波綜合治理裝置，可以確保電壓在一定范圍內(nèi)恒定；

（5）降低線路損耗。該裝置不僅可以應(yīng)用在感性負載場合，還可以應(yīng)用在容性負載的場合，可以提高補償效果，降低線路損耗。

3.4 測試效果

諧波無功綜合補償裝置投入后的補償效果如表2所示。

表2 諧波無功綜合補償裝置投入后的補償效果表

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 諧波治理效果分析

此次柳州五菱柳機動力有限公司諧波與無功綜合治理項目的實施，實現(xiàn)了高電壓、大電流的混合式有源濾波器的應(yīng)用。通過現(xiàn)場測試，1#、2#中頻爐變壓器的高壓側(cè)功率因數(shù)從補償前的0.85補償?shù)?.95以上，20次以下諧波濾波效果優(yōu)于GB/T14594-93標(biāo)準(zhǔn)。表3是設(shè)備投入運行前后中頻爐耗能及功率因數(shù)對照表。

表3 設(shè)備投入運行前后中頻爐耗能及功率因數(shù)對照表

4.2 經(jīng)濟效益分析

（1）無功當(dāng)量經(jīng)濟效益分析。柳州五菱柳機動力公司的電網(wǎng)實現(xiàn)無功補償后，不僅降低配變用電設(shè)備的損耗，而且使高低壓配電電流減少，因而使線損率降低，同時主變銅線及上一級輸電線路的導(dǎo)線損失降低，進而提高變壓器和輸電線路利用率，增加設(shè)備的輸出功率。按功率因數(shù)補償至0.94計算，低壓補償后線損降低比例為15%。10 kV側(cè)最大補償容量為900 kVA，平均值按600 kVA計算，無功經(jīng)濟當(dāng)量取0.06，補償設(shè)備每天投運時間按10 h計算，每年可減少有功電量13.14萬kW·h，補償設(shè)備本身損耗的有功電量為0.18萬kW·h，每年實際減少的有功電量約為13萬kW·h。

（2）能源節(jié)省估算。投入補償后，可減少有功電量356 kW·h/d，平均日產(chǎn)量按 50 t計算，則單位能耗下降7 kW·h/t，每月按連續(xù)生產(chǎn)30 d，每年按連續(xù)生產(chǎn)12個月計算，由此粗略計算可知，一個月減少有功消耗10 680 kW·h，一年減少有功消耗128 160 kW·h。標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)煤368 g/kW·h，則一年減少標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗為47.29 t。通過對標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒廢氣計算可得，每年可減少污染環(huán)境的氣體排放CO2達 123 899.8 kg，SO2達 402 kg，NOx達 350 kg。

（3）其他經(jīng)濟效益和社會效益。進行無功補償和諧波治理，除了上述分析的直接經(jīng)濟效益外，還具有其他綜合社會效益。由于無功電流減少，導(dǎo)致總電流減少，設(shè)備維修量減少，設(shè)備壽命延長；功率因數(shù)提高及三相不平衡度降低，末端電壓的提高，生產(chǎn)效率提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善；隨著功率因數(shù)的提高，電網(wǎng)可以把更多電力調(diào)配給其他生產(chǎn)設(shè)備，其間接效益也十分樂觀；諧波污染的消除，可以提高電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，降低諧波造成的生產(chǎn)事故發(fā)生概率，提高生產(chǎn)安全性，減少不必要的損失。

5 結(jié)束語

以上相關(guān)數(shù)據(jù)證明，通過該工程項目的成功運作實施，對高耗能企業(yè)進行了節(jié)能改造，降低了能耗，提高了能源利用率，使企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅度降低，減少了廢棄物的排放，極大地提高了企業(yè)市場競爭力，使企業(yè)獲得了經(jīng)濟效益和社會效益。柳州五菱柳機動力有限公司的“無功補償與諧波治理工程”項目，是企業(yè)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召、建設(shè)節(jié)約型社會、主動承擔(dān)社會責(zé)任而做出的正確舉措。

[1]張直平.城市電網(wǎng)諧波手冊[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]羅 安.電網(wǎng)諧波治理與無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.