港口配電系統諧波分析及其治理措施

鞠 寧，趙洪軍，季曉春，劉建春，田陸陸

（1.江蘇江陰港港口集團股份有限公司，江蘇 江陰214443；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海201801）

1 引言

近年來電力電子技術以其節能、高效、便于操控的特點，在港口的配電系統中已經被廣泛應用，尤其是整流、變頻以及能量回饋等技術已經大量應用于門機、集裝箱岸橋等機械設備。但是，這些新技術的使用不可避免地對港口的配電系統產生大量干擾，特別是諧波干擾已經成為一個不可避免的問題。某公司對配電系統進行了電能質量測試，從測試情況看，其中大部分重型設備都會向配電系統注入5 次、7 次等諧波。高次諧波對系統會產生各種危害，例如，變壓器過熱、噪音增大，電容器頻繁鼓肚、導致功率因數低，電纜發熱嚴重等。本文根據實際測試的結果，分析港口諧波源的特點，并提出相應的治理措施。

2 諧波概述

國標《電能質量 公用電網諧波GB／T 14549－93》對諧波（分量）的定義是：對周期性交流分量進行傅立葉級數分解得到頻率為基波頻率大于1 整數倍的分量。總諧波畸變率（THD）作為衡量用電質量的一個重要指標，它的定義是：周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比（用百分數表示）。電壓總諧波畸變率以THDu表示；電流總諧波畸變率以THDi表示。

3 諧波對港口配電系統的影響

（1）設備影響

諧波使配電系統遭到污染，這都可能影響繼電保護、計算機系統和精密機械或儀器正常的運行、操作，降低這些設備的使用壽命，甚至引起繼電保護誤動作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害，特別是對感應型電能表的影響。相關研究表明，感應型電能表對2 次以上的諧波有逐漸增大的衰減特性，達到9 次時已衰減掉80%以上。

（2）諧波污染對電網的影響

電網無功配置容量中電容器所占比例最大，其中用戶電容器約占全部電容器的2／3。這部分電容器的設計大多只考慮無功補償量，不考慮裝設點電能質量的實際污染情況，因此，運行點電能質量指標低時，常造成一些事故，如補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷，甚至發生串并聯諧振，引發電容器的諧波過電壓與過電流，導致電容器爆炸等。用戶電容器的管理仍按平均功率因數進行考核，由于存在諧波，還會對功率因數產生影響，一般的，設備的輸入功率因數：從該式看出，當電流、電壓發生畸變時，其功率因數會隨著減小。

4 港口測量數據分析

以下是某公司對港口辦公區配電系統的測試結果分析。

如圖1所示為測量點電流波形圖以及電流THDi值。由于受負載影響，電流波形畸變很嚴重，這是電流在正弦波形情況下疊加了各種諧波導致的，從該諧波表格可以詳細看到各次諧波含有率，由于港口有大量變頻器負載，導致配電系統中5次、7 次、11 次諧波含量過高。

如圖2所示為電壓波形及其諧波表格。電壓出現畸變，主要原因是畸變的電流在線路諧波阻抗上產生的，由于電流畸變十分嚴重，當畸變的電流流經線路阻抗時，會產生畸變的電壓降，根據基爾霍夫電壓定律可知，在該配電系統上的其他設備也必定是連接到畸變的電壓上，從而受到嚴重影響。

如圖3所示為該港口門機工作時無功需求趨勢圖以及辦公區電能情況。從圖3中可以看到，這些設備在空載和負重時所需無功差別大，變化快。左圖可以看到，在門機工作時，每隔1 分鐘左右就會有一次很大的無功需求，傳統無功柜采用接觸器切投，功率因數控制器（RVC）控制。RVC 會設置相應的步進切投時間，一般時間設置會在10s 到40s 之間，例如ABB 低壓RVC 步進切投時間默認為40s，切投時間太長跟不上負載無功需求，切投時間太短會導致接觸器、電容器等元件老化加速。根據這一特性可知，傳統的無功補償無法跟蹤快速變化的負載無功需求，這會導致功率因數一直很低。功率因數受諧波和快速變化的負載影響，要投入更大的無功補償或更換新的無功補償設備，各種成本也會隨之上升。

圖1 電流波形圖以及電流THDi 值

圖2 電壓波形圖以及電流THDi 值

圖3 港口門機工作時無功需求趨勢圖、功率和電能

圖4 PF 受THDi 影響下降曲線

如圖4所示，受諧波影響，功率因數普遍不高，平均僅為0.84。

如圖5所示，由于存在諧波，變壓器阻抗為XTRn＝2×π×fn×L，電容器阻抗為，當系統諧波較大時，變壓器阻抗變大，電容器阻抗變小，大量諧波流入無功柜，在某一頻次時甚至發生諧振，這些現象時刻威脅港口配電系統的穩定運行。

5 諧波治理方案

5.1 方案分析

經過以上分析，該配電系統電能質量基本可以概括了解。港口的機械設備使用大量電力電子器件，產生大量諧波，機械設備運行時，無功需求差別大，變化快，致使傳統無功柜無法及時補償。系統存在諧波時，無功柜過補會導致諧波被放大，嚴重時甚至發生諧振，直接使變壓器過載，開關柜跳閘。

根據國標GB／T 14549－1993《電能質量 公用電網諧波》的相關規定，以及2008年5月1日起正式頒發實施的《江蘇省電力保護條例》第二十八條規定，對有下列情形之一，嚴重影響電力安全的用戶，供電企業可以中斷供電：“（一）用戶的非線性阻抗特性的用電設備接入電網運行所注入電網的諧波電流或者引起公共連接點電壓正弦畸變率超過國家規定標準時，在供電企業通知后，用戶不予改正的；（二）用戶的沖擊負荷、波動負荷、非對稱負荷對供電質量產生影響或者對安全運行構成干擾、妨礙，在供電企業通知后，用戶不予改正的”諧波無論對電力系統還是對用戶的用電設備都造成了很大影響，根據相關規定，建議對該配電系統進行諧波治理。

圖5 存在諧波情況下系統阻抗示意圖

5.2 諧波治理的主要方式

目前抑制諧波干擾方法主要分為無源治理方式和有源治理方式，下面對其優缺點進行分析。

5.2.1 無源諧波濾除裝置

無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC 串聯回路，并聯于系統中，LC 回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5 次、7 次、11 次諧振點上，達到濾除這幾次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，因為其頻率的固有限制，諧振頻率設定得不好，極易與系統產生諧振，導致諧波電流成倍激增，損害對電能質量要求比較高的精密儀器和設備。現在，市場上流通較多的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受，但是濾波的效果很差。由于我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不愿增加經費來治理諧波，而有的企業由于諧波的含量太大，常規的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又十分嚴格，達不到就要罰款。所以導致很多企業只重視無功補償，耗費大量資金用于因諧波導致無功補償無法使用的故障上，雖然一次投入成本較低，但是經年累月的更換維護成本會成倍增長，屬于治標不治本。

①只能抑制固定的幾次諧波，并且對某次諧波在一定條件下會產生諧振而使諧波放大，引起其他事故；

②只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；

③其濾波特性依賴于電源阻抗，受系統參數影響較大，并且其濾波特性有時很難與調壓要求相協調；

④由于對其中的元件參數和可靠性要求較高，且不能隨時間和外界環境變化，故對無源濾波器的制造工藝要求也很高；

⑤對系統負荷變化較大的情況，不宜采用；

⑥重量與體積較大。

5.2.2 有源諧波濾除裝置

有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，一次投入成本也就比無源濾波稍高。其主要的應用范圍是計算機控制的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統、工廠的計算機控制供電系統。現今由于諧波已經對電力系統造成很大的危害，越來越多的企業開始關注治理諧波，對有源濾波裝置達到了很高的認可。如圖6所示為并聯有源濾波器結構。

5.3 有源濾波器的合理安裝

綜上所述，有源電力濾波器是諧波治理的理想配套設備。有源電力濾波器安裝時需要考慮安裝的物理位置和邏輯位置，物理位置需要考慮安裝點所預留的空間尺寸。一般新建項目時建議把有源電力濾波器安裝在無功柜下端，與其他電氣柜的柜型顏色保持一致。對于后期改造項目，一般沒有預留位置時，可放置在距離安裝點最近的安裝，同時兼顧配電房整體布局美觀。在該項目中，有源電力濾波器安裝在配電柜最末端，柜型尺寸與其他電氣柜保持一致。

圖6 并聯有源濾波器結構

圖7 有源電力濾波器邏輯位置

邏輯位置是指有源電力濾波器與其他供電系統中的電氣柜之間的安裝位置關系，如圖7所示。根據電容的特性可知，高頻電流更容易流入電容。當有源電力濾波器邏輯位置在電容柜之前（更靠近變壓器端）安裝時，高頻電流更多地流入電容柜，而有源電力濾波器只能濾除一小部分。并且若無功柜阻抗更小時，有源電力濾波器發出的反向諧波也會流入無功柜，因此，有源電力濾波器邏輯位置要在電容柜下端。這樣既可以濾除諧波，在無功需求變化迅速時，有源電力濾波器可以迅速跟蹤補償快速變化的部分無功需求，達到治理諧波，同時保護無功柜的目的。

根據以上分析結果，港口有源電力濾波器安裝在電氣柜末端，并以電纜并聯到系統中。如8 所示為有源電力濾波器安裝位置。

5.4 設備選型

依據實際測量掌握的情況，參照以下公式：

圖8 有源電力濾波器安裝位置

其中：Ⅰh為諧波總電流；Ⅰ1rms為基波電流有效值；Ⅰrms為全波電流有效值；THDi為總諧波電流畸變率。由于實際測量時全波電流是比較容易測量和觀察的，而且在計算諧波電流時，用全波電流計算和基波電流計算差別不大（見式（3）），因此可以用全波電流進行估算。

表1 諧波電流含量

根據上述公式可以計算出各條配電系統所需補償的諧波電流。根據諧波電流，選擇所需有源電力濾波器的容量。如表1所示為諧波電流含量。

根據計算得出的數據，可以選擇相應容量的有源電力濾波器。有源電力濾波器在進行電能治理時，可以同時治理諧波、補償無功和三相不平衡電流。由上述分析可知，港口的負載對無功的需求變化比較快，而導致功率因數較低，有源電力濾波器可以對這部分快速變化的無功進行跟蹤補償，配合原有的無功柜使用，可以大幅降低改造費用，達到一個很好的補償無功的效果。由于有源電力濾波器是同時發出無功電流和諧波電流的，所以在選擇有源濾波器時，為了使濾波效果明顯并且兼補無功，可以選擇比測量值大一些的濾波器。在這里推薦選擇可以補償75A 諧波的有源電力濾波器ANAPF75－380／BGC，對該場所進行補償。如圖9所示為有源電力濾波器安裝示意圖。

5.5 治理效果

對該配電系統進行實際測試后，安裝一臺有源電力濾波器ANAPF75－380／BGC，在運行后進行測量對比發現，治理效果已經明顯，電流波形由原先毛刺很大變為光滑的正弦波形，N 線電流也由未治理前的43A 降到10A。THDi由未治理前的21.3%、25.0%、28.0%降到2.6%、2.6%、2.6%。功率因數也由治理之前的0.85 上升到1.00，完美解決了供電系統中的諧波、不平衡和功率因數低等問題。治理效果對比如圖10所示。

6 結束語

盡管諧波危害以各種形式表現出來，但是導致這些危害的根本原因是諧波電流。即非線性設備工作時，向電網發射的諧波電流。因此，無論諧波治理的最終目的是什么，其本質就是減小負載（可能是一組負載）向電網注入的諧波電流，也就是使電流波形盡量畸變小，因為諧波電流是諧波問題的根源，雖然在有些場合諧波治理的目標是保證電網的電壓畸變率滿足國家標準，但是最終仍然落實到諧波電流的控制上。

諧波治理的最佳位置是在非線性負載的電源入口，這相當于將非線性負載轉變成線性負載，諧波導致的一切問題都迎刃而解。由于消除了諧波源，原來的配電系統就像工作在傳統的線性負載條件下，沒有任何隱患。對于設計人員來說，由于進行了諧波治理，無論進行配電系統的設計，還是進行制造系統的設計，都可以按照傳統的規范進行設計，而不用考慮諧波帶來的種種風險。大部分發達國家按照這個策略開展諧波治理。達到這個目的的管理措施是在采購設備時，提出滿足GB17625 標準。

雖然在非線性負載的電源入線端治理諧波是最佳方案，但是這種方案可能成本較高，根據實際系統情況，可以采用靈活的方案。通常，可以將就地諧波治理與部分諧波治理結合起來，構成一個性價比高的方案。對于功率較大的諧波源負載（例如變頻器等），采用有源濾波器進行就地諧波治理，可減小向電網注入的諧波電流。對于功率較小，比較分散的非線性負載，在母線上統一治理。在設計方案時，可以根據配電系統具體情況進行設計，以期達到一個完美的諧波治理效果。

圖9 有源電力濾波器安裝示意圖

［1］能源部電力司.GB／T14549－93 電能質量 公用電網諧波［S］.北京：中國標準出版社，1994.

［2］中國聯合工程公司.GB50052－2009 供配電系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［3］趙殿波.淺談港口電力系統諧波的產生與抑制［J］.天津科技，2009，（4）.

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