淺析諧波治理對提升供電質量效果

邢海波 孫蒙

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠 天津 300163）

淺析諧波治理對提升供電質量效果

邢海波 孫蒙

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠 天津 300163）

隨著社會的發展，人們對電能質量意識不斷加強，尤其重視安全用電和節能降耗，由于變頻設備、整流設備等的廣泛應用，供電變壓器及輸電線路電壓/電流畸變率較高，諧波電流較大，存在一定電能質量方面的隱患，需要進行電網諧波治理。諧波治理在改善電能質量的同時，還具有一定節電降耗的效果，綜合效益顯著。

諧波；治理；電能；質量

1 電能質量問題及諧波的產生

諧波(harmonics)：頻率為電源基波頻率（50Hz）整數倍的正弦分量。

對企業而言，影響電能質量的主要問題是無功和諧波。無功問題已普遍得到企業的重視并給予有效解決。

近幾年來煙草行業不斷技術改造，使企業自動化生產程度明顯提高，由于變頻調速設備、整流設備等電力電子裝置的大量使用，使企業用電系統諧波含量大增，電能質量日趨下降。目前諧波已成為影響企業電能質量的主要原因。

因電能質量問題產生的設備故障率日益增長和配電系統異常等現象，使得解決諧波等電能質量問題，成為煙草企業電能質量改善迫在眉睫的事情。

國家技術監督局在1993年頒布了國家標準GB／T14549－1993《電能質量公用電網諧波》，標準規定了公用電網諧波的允許值及其測試方法，為我們進行諧波測試分析及治理提供了依據。

2 諧波的主要危害以及在煙草行業反映

2.1 引起電網諧振，燒毀元器件、損壞設備。如補償柜中電容爆炸。

2.2 產生附加諧波損耗，降低設備的使用效率。如能耗增大。

2.3 加速設備絕緣老化，降低設備的使用壽命。如設備運行噪音增大、震動加劇、溫度上升，設備故障率上升，維護費用增加。

2.4 導致控制裝置誤動作。如配電系統開關出現非正常跳閘現象。

2.5 使電子信號失真，導致電氣測量儀表計量不準確。如諧波可使電能計量產生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。

2.6 對鄰近的電子設備和通信系統產生干擾。如已有多家煙廠發生生產線通訊系統中斷，生產線癱瘓，中斷故障點隨機出現，沒有規律可循。

2.7 諧波嚴重到一定程度，可使部分設備無法正常投入。如有煙廠微波除濕殺菌生產線不能正常投入。

3 諧波治理方法

3.1 無源濾波器

對諧波源產生的諧波電流，采用電力濾波裝置就近治理的方式，是抑制諧波污染的有效方式。一般采用由電力電容器、電阻器和電抗器組成的無源濾波系統進行濾波。無源濾波器對某一頻率的電網諧波呈低阻抗態，通過與電網阻抗形成分流，實現大部分該頻率的諧波進入濾波器得以消除。無源濾波器的工作原理如圖1所示。

圖1 無源濾波器系統工作原理圖

無源濾波器因其結構簡單、運行可靠、效率高以及投資低等優點，在諧波治理及無功補償等方面廣泛應用。但是，無源濾波器是通過在電網系統中形成并聯低阻通路而起到濾波作用，因其濾波特性是由電網系統和濾波器的阻抗比所決定的，故而存在以下缺點∶

3.1.1 諧波治理的局限性，只能消除某些特定的諧波，而對某些頻次的諧波會產生放大作用；

3.1.2 濾波器的濾波特性受系統參數影響較大；

3.1.3 濾波需求和無功補償等要求有時難以兼具；

3.1.4 諧波電流增大時，濾波器負荷相應加重，可能會造成濾波器過載；

3.1.5 濾波器體積較大，消耗材料較多。

3.2 有源濾波器

隨著電力電子技術的不斷發展，諧波治理的研究逐步由無源濾波轉向有源濾波。與無源濾波器相比，有源電力濾波器在可控性和系統響應等方面有顯著提高，不僅能補償各次諧波，還可補償無功、抑制電網閃變等，兼具多種功效。其特點如下：

3.2.1 濾波性能不受系統阻抗的影響，消除了濾波器與系統阻抗發生諧振的危險；

3.2.2 具有自適應功能，可自動跟蹤并補償變化的諧波。

3.2.3 有源電力濾波器具有體積小、占地少等特點，但系統成本較高。

圖2 有源濾波器系統工作原理圖

有源電力濾波器的工作原理如上圖2所示，有源電力濾波器系統主要由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩大部分組成。系統通過檢測被補償對象的諧波電流瞬時值，經指令電流運算得出諧波補償電流的指令信號，再經控制變流器產生諧波補償電流，經與負載電流中需補償的諧波電流分量相抵消，獲得所期望的電網電流。諧波補償的等效電路如圖3所示：

圖3 有源濾波器諧波補償等效電路圖

由圖3可知，電網諧波電流存在以下關系：

通過控制有源電力濾波器的輸出電流Ich，使其滿足Ih=ILh，電網側的諧波電流即可消除，使得Ish=0。

4 諧波治理措施

4.1 工作方式

根據諧波源的具體情況可以選擇總補償、局部補償及就地補償等補償方式。

有源電力濾波器以并聯的方式接入，如下圖所示：（總補償方式）

圖4 有源濾波器并聯接入方式

4.2 諧波治理的效果

電壓等級不同，公用電網的電壓諧波限值也不相同。電壓等級越高，電壓諧波限制越嚴。表1給出了0.38kV公用電網諧波電壓（相電壓）限值，表2給出了0.38kV公用電網諧波電流限值。

表1 公用電網諧波電壓限值

表2 公用電網諧波電流限值

下面舉例說明有源電力濾波器在煙草企業的諧波治理效果：

例：某煙廠除塵設備諧波就地補償治理前后的實際測量數據如下圖，濾波器型號為150A三相三線有源電力濾波器。為準確客觀反映有源電力濾波器的諧波治理效果，測試數據為濾波器投入前與投入后，相同工況、相同測試方式下測得，考慮到設備三相負荷基本平衡，這里僅選A相數據進行分析。

圖5 補償前后A相電流諧波分布圖

圖6 補償前后A相電壓電流波形圖

從以上諧波治理前后實際測試電流圖形可以看出：

4.2.1 諧波治理后電能質量得到明顯改善：A相電流總畸變率THDi由設備投入前的23%減少到2.3%，電流波形從不規則的m形變為較理想的正弦波，5次、7次等主要諧波分量出現明顯降低甚至消除。

4.2.2 濾波器諧波補償率μ：

式中，IH——治理前總諧波電流，I'H——治理后總諧波電流。

經計算，濾波器諧波補償率達到91%，濾波效果較為顯著。同時電壓畸變率也得到了很大程度的降低，達到國標要求。

4.2.3 節電效果顯著：A相負載總電流由設備投入前的414A減少到393A，總電流降低5.1%以上。可見，有源電力濾波器在有效治理諧波的同時，還具有一定的節能經濟意義。

5 結語

本文介紹了諧波產生的原因及危害，并給出了目前主要采取的諧波治理方式，最后以煙草企業為例探討與評價了諧波治理的效果，對于煙草企業的諧波治理工作具有一定的參考價值。同時可以看到，諧波治理對于企業電能質量的提升是一項具有長遠意義的工作。（1）諧波治理可以提高企業設備的供電質量，增加設備運行的可靠性，降低因設備誤動作等造成的經濟損失；（2）諧波治理可以降低諧波電流在線路上產生的熱損耗，減少用電設備發熱量，減緩絕緣的老化，從而可以提高設備的使用壽命，減少設備維修、更換等方面支出；（3）諧波治理會降低企業電網中補償電容器的諧振機率，減少諧波分量對通訊信號傳輸的影響，增加系統的可靠性；最后，諧波治理可以凈化公用電網的電能環境，并且具有一定的節能經濟意義。

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[2]林海雪,孫樹勤.電力網中的諧波[M].北京∶中國電力出版社.

[3]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京∶中國電力出版社,2004.

[4]GB/T14549-93電能質量公用電網諧波.

[5]王廣柱.并聯型有源電力濾波器電流控制的等效原理[J].中國電機工程學報,2006,26(15).