諧波對電網質量的影響和治理措施

朱金奇

安陽鋼鐵股份有限公司（455004）

0 前言

隨著工業技術的發展，電力電子技術的大量應用,負載中的大量的非正弦波的電流送入電網，大功率的無功電流沖擊著電網，首先造成了供電電網的指標嚴重地偏離了國標規定的數值。對于要求高質量供電電網的高新技術產業來說，不正常不合格的電網供電質量，造成了企業產品質量下降，影響了生產。其次增加了電網電能的損耗，與建立節約型社會的要求相違背。

電網中產生諧波的諧波源主要有變壓器、電弧爐、電氣機車、逆變器、可控硅整流器等。其中以可控硅設備產生的諧波為多。可控硅整流器即使在理想狀況下運行（即三相交流系統完全對稱，直流測平波電抗器的感抗為無窮大，換流電抗等于零），從變流技術方面分析得出∶整流變壓器副邊繞組流過全方波電流，與之相對應的原邊繞組流過梯形波電流，這說明電流波形發生畸變。通過諧波分析可知：對于三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5、7、11……次諧波電流;如果采用12脈沖整流器，也還有11、13、23……次諧波電流。

在實際運行中并不理想，換流電抗不等于零，換相角不等于零，平波電抗器的感抗也不可能為無窮大，輸出直流必然會有脈動，三相交流系統也很難完全對稱。因而諧波成分會更加復雜，電壓與電流波形發生畸變會更嚴重，此諧波注入電網必將對電氣設備造成危害。下面將分析各種典型電力電子負載對電網指標的破壞情況。

1 典型電力電子設備對電網的影響

1.1 晶閘管調速的直流機負載

我們以某軋鋼廠為例∶

6 kV電網供電系統中,主要有主軋機整流變壓器兩臺（其中上輥一臺、下輥一臺）。主軋機1#（上輥）和2#（下輥）整流變壓器均為三繞組變壓器，拖動兩臺電動機，在6 kV電網構成24脈波整流。

其參數如下∶主軋機整流變壓器（上輥或下輥）變壓器容量∶6 300 kVA；變比∶6 kV/0.82 kV；短路容量∶Uk=7%。

負載為兩臺可逆直流電動機,功率為2×4 000 kW，額定電壓860 V，屬于沖擊性負荷，過載倍數為2.5倍。

軋制過程中，功率因數很低，在0.16至0.7之間，變化范圍很大，平均功率因數約為0.4左右；負載的有功功率和無功功率造成變壓器的無功功率增大，有功功率損耗加大。上輥最大有功負載約為2×475 kW，無功為 2×2 955 kVar。 下輥最大有功負載約為 2×725 kW，無功為 2×2 685 kVar。此時,兩臺變壓器中由負載有功功率產生的無功功率為168 kVar,有功功率為978 kW。上輥變壓器的沖擊性無功功率大，造成電網電壓波動大。使6 kV電網電壓下降了497 V，約為7.9%，變壓器二次電壓898.6 V下降到779 V，約為14.3%。兩臺主機的供電變壓器對6kV電網供電構成24脈波整流,電網24脈波整流的 5、7、11、13 次諧波均很小，但是 23、25 次諧波在大負載時超標，電壓畸變大。

由于軋制電流過大,使得整流變壓器過熱，需用兩臺大風機對每臺變壓器強迫風冷降溫。大功率直流換相電源短路,使得變壓器二次側電壓陷波嚴重，對控制系統造成嚴重的干擾。6kV電網總進線側輕載時功率因數為0.7，重載時為0.49～0.6。以下是軋機的電壓電流波形（電壓比為8.19，電流比為60）。

我們將數據進行統計，統計結果見表1。

表1 直流機負載分析

從表1中我們可以看出，晶閘管調速的直流機負載在低壓、中壓側各項參數均不符合國家相關標準的技術指標。

另外，電解銅和電解鋁負載與直流電機負載的特性類似。

1.2 交交變頻電機負載

某中板廠6 kV電網變壓器容量為16 MVA，主要負載為5 000 kW沖擊性的交-交變頻主軋機。軋制過程中，最大有功功率為6 084 kW，最大無功功率為9 018 kVar。最大諧波量如下∶5次為115.8 A，7次為52.8 A，11次為31.2 A，13次為19.2 A。5次為最大、7次次之，均超過國家標準。交-交變頻的諧波除了有特征諧波外，還存在大量旁頻諧波，電網中諧波電流大，功率因數低，上述負荷的沖擊使得6kV供電電網電壓波動很大，已達到6%左右，影響了其他負荷的正常運行。

統計數據表，見表2。

表2 統計數據表

1.3 交直交變頻電機負載

交直交變頻器的原理是3相交流電經過三相橋式整流向電解電容器充電，電解電容器上的直流電經過開關元件逆變成為不同頻率的交流電。

交直交變頻器的電網電流特點：基波電流的功率因數高為1，但高次諧波數值很高，總功率因數很低＝0.47左右。電網電壓電流波形如下∶

類似負載有開關電源、電視機、電腦等負載。

1.4 電弧爐負載

電弧爐煉鋼工藝分為熔化期和精煉期，在熔化期對電網的電能質量影響更厲害。熔化期時，爐內裝入廢鋼，三相交流電極插入爐內，電極與廢鋼之間產生電弧熔化廢鋼。電弧爐的電流如下∶從電流波形可以看出電弧爐的電能特點,三相電流不平衡，不平衡說明存在負序分量。電流的諧波不大，但是存在2、3次的諧波，其平均值為基波的5%～10%。因為串聯了限流電抗器，限制了電爐短路電流，也就使得功率因數不高，電弧爐電極短路時無功功率很大，沖擊的無功功率使得電網電壓波動，發生電壓閃變。電弧爐是大耗電戶，對于電網的干擾也大。

1.5 電氣化機車負載

電氣化機車是不平衡負載,由兩個單相27.5 kV電源給機車供電,電氣機車是單相直流傳動電機拖動，電網電流的特點如同上述的直流電機負載電流特性，電流中含有大量的5、7、11次諧波電流。諧波電流流入電網引起電壓畸變，電氣化機車的功率因數不高，有大量的無功功率，沖擊的無功功率引起電壓波動電壓閃變。凡是與電氣化機車掛在同一電網下的用戶，均受到干擾，叫苦不迭。

從110 kV變電站采集的電氣化鐵路的電流電壓波形如圖9所示。

2 無功功率和諧波電流浪費了電能

三相電路功率的定義∶

cosφ1為基波功率因數，φ1為基波功率因數角。

其中S代表視在功率，P為基波電流和諧波電流產生的有功，Q無功功率為基波電流產生的無功。

U1為基波電壓有效值，I1為基波電流有效值，

U為線電壓有效值，I為相電流有效值。

無功功率流入變壓器要使得變壓器產生有功損耗，損耗的數值為∶

容量。當負載的無功功率很大的時侯，變壓器的損耗非常大，同時電網的線路損耗也大。諧波電流消耗有功功率。由此看出，無功補償和諧波濾波可以節約有功功率，可以節約電能。

3 治理高次諧波的技術措施

3.1 整流變壓器用 Y，d（Y/△）或 D，g（△/Y）接線

三相整流變壓器采用Y/△接法，硅整流設備的高次諧波電流通過付邊△繞組時，其中ε的倍數的高次諧波由于三相相位相同,在△繞組中形成環流，能量損耗在繞組的電阻上。變壓器鐵心中不會產生三次諧波磁通，原邊Y繞組中就不會感應出3的倍數的電勢和電流。

如果采用△/Y接法,付邊Y繞組中不能流過相位相同的3的倍數的高次諧波電流，因而變壓器鐵心中出現了3的倍數的諧波磁通，原邊△繞組中感應出3的倍數的諧波電勢，并在△繞組中形成相位一致的環流，能量就損耗在繞組的電阻上。為此三相整流變壓器采用這兩種接線，能有效地抑制諧波電流注入電網。

3.2 增加整流相數

整流設備采用12相脈沖整流比相脈沖整流可減少5、7、17......次高次諧波。這是因為整流相數越多，整流后電壓和電流和脈動系數越小，高次諧波的含量也就越少。如果采用6相整流時，出現5次諧波電流位基波電流的18.5%,而采用12相整流時，出現5次諧波電流只為基波電流的4.5%。

3.3 采用調諧濾波器

調諧濾波器是具有針對性的，僅對某次或某幾次含量大的諧波進行吸收的裝置。該裝置由R/L/C等元件組成串聯諧振電路，安裝在整流變壓器原邊母線上,由于它對諧振的諧波電流呈現很小的阻抗，故能對諧波進行吸收，因而能有效地抑制諧波注入電網。

3.4 采用帶移相繞組的整流變壓器

采用帶移相繞組的整流變壓器，適合用于有多臺可控硅整流器的情況。帶移相繞組的整流變壓器，是通過移相使三臺整流變壓器的相位相互差一個角度,這相當于交流側電源組成脈動18次的電壓波形，從而改善了電源電壓波形，客觀上也是抑制了高次諧波。

3.5 安裝電抗器

在有無功補償電容器的情況下，安裝與電容器串聯的電抗器，可組成低通濾波器，可調諧在最低次諧波頻率以下，使整個系統失調，以減少高次諧波的影響。

3.6 增加供電網絡的短路容量

在設計大容量可控硅設備供電方式時，首先應該選擇合理供電電壓等級，設法接入大短路容量的電網，或設法加大系統的短路容量（應大于可控硅設備容量的20倍）,則可減少注入電網的諧波電流。

3.7 控制電網諧波電壓的含量

加強對電網運行中諧波電壓的實時監測與控制，用戶注入該電網的高次諧波電流加上該電網原有的高次諧波電流，使得諧波電壓的含量不得超過下列標準。

對110KV電網，諧波電壓含量不超過1.5%；對35 KV電網，不超過3%；對10KV電網不超過4%；對0.4 KV電網不超過5%。

[1]戴通生.加強用戶諧波管理 保證電網電能質量[J].電力需求側管理,2007(1).

[2]林偉克.電能質量及諧波測控技術與應用[J].電測與儀表,2010(A08).