煙草生產過程中的諧波治理

劉季，閆俊清

（河南中煙工業有限責任公司黃金葉生產制造中心，鄭州450016）

煙草生產過程中的諧波治理

劉季，閆俊清

（河南中煙工業有限責任公司黃金葉生產制造中心，鄭州450016）

煙草生產過程中廣泛使用的大功率電子設備非線性負載產生的諧波，對電網系統造成嚴重污染。以煙草工業3級諧波治理體系為研究對象，通過對電能質量數據的收集與分析，說明諧波產生的原因、危害及抑制辦法。

諧波治理；非線性負載；無功補償；有源濾波

0 前言

煙草工業十二五技術改造已經完成，生產設備趨于系統化、集成化、復雜化和模塊化。煙草生產過程中非線性負載產生大量諧波，當異常電流進入電網系統時造成系統運行電壓畸變，增加線路損耗、降低設備可靠性。供電網絡的污染，影響系統的安全運行。

1 諧波產生的原因及危害

1.1 諧波產生的原因

煙草生產廣泛使用的變頻器、伺服控制器等，均是利用半導體器件獨特的通斷特性，將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，它們從電網中吸取能量的方式不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網電壓上，使電壓發生畸變產生諧波。

1.2 諧波的危害

（1）增加供電設備的額外損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的使用壽命、利用率和生產效率。當諧波頻率位于諧振區時，輸電線路和電力電纜線路會發生絕緣而被擊穿。

（2）當系統中安裝有補償電容時，諧波電壓加在電容器兩端，容易產生并聯或串聯諧振，使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，造成電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，甚至爆炸。

（3）諧波對工業設備控制網絡產生干擾，輕者會引入噪聲，影響通信的清晰度，重者會造成信號丟失。極端的情況下還會威脅設備和人員的安全。

（4）電力諧波會使視頻監視器、計算機圖形發生畸變，畫面亮度發生波動變化，計算機及數據處理系統出現錯誤，甚至損壞機器。

（5）諧波會引起一些敏感自動化設備的誤動作，導致測量和計量儀器的指示不準確，對整流裝置產生不良影響。

2 諧波現狀

在煙草工業生產過程中，制絲生產線、卷接包生產線、物流輸送線、能源動力生產線等大量使用了電力電子變流設備。例如真空回潮機、切絲機、卷包除塵等設備應用了變頻技術；卷包機組、物流系統大規模應用伺服驅動裝置。在某大型卷煙企業對2015年設備故障進行統計中，由諧波造成的設備故障占故障總量的5%，其中常見問題有精密控制元件誤動作，PLC程序丟失，現場總線網絡中斷，網絡接口模塊燒毀等。使用Fluke電能質量分析儀對卷包車間設備供電線路進行測量，測量數據見圖1。圖1中顯示卷包供電系統低次諧波的含量高達27%，電流波形已經完全失真，主要為5次、7次、11次、13次和17次諧波。

3 治理方法

3.1 合理配置無源濾波裝置

某卷煙生產企業45 kW以上變頻驅動電機均選配了AHF005無源濾波器，連接低通濾波的電感電容系統，用于消除三相全波變頻負載特有的5，7，11次等低頻諧波。不需要單個調節或按不同的諧波源進行移相，能夠滿足滿載時的最大諧波電流畸變＜5%。由于無源濾波器只對某一頻率的諧波成低阻抗，可使大部分該頻率的諧波流入無源濾波器，可消除占諧波含量24%的5次諧波。1臺AHF005可對應多臺變頻器并聯使用，合理配置可在治理諧波的同時降低設備費用。AHF005無源濾波器工作原理如圖2所示。

3.2 合理配置有源濾波器

在煙草生產過程中，設備供電回路配電側配置RST系列有源濾波器（簡稱APF），主要由進線負荷開關、快速熔斷器、漣波電流濾波模組、緩激活電磁接觸器組、高頻電感電容器組、IGBT電能轉換器、直流電容器組等單元組成。該設備具有全濾波工作模式，A，B，C三相諧波治理能力為200 A；N相諧波治理能力600 A；系統整體響應時間＜1 ms；IGBT開關斬波頻率為20 kHz。設備自帶保護功能及液晶顯示器，并采用Modbus RTU通訊規約，提供開放的通訊接口。有源濾波器工作原理如圖3所示，其中Is為電源側總電流，Ic為APF產生的諧波補償電流，IL為非線性負載電流。有源濾波器通過檢測IL瞬間電流值，由變流器產生所需的補償電流與負載中的諧波成分相互抵消，使電源側獲得僅含有50 Hz正弦波電流。

圖1 卷包供電系統諧波測量圖

圖2 AHF005工作原理圖

圖3 有源濾波器工作原理

3.3 新型無功補償設備的應用

無功補償通常用來提升系統的功率因數，在煙草企業生產過程中配電系統采用了LSVG動態無功補償裝置，既具有諧波濾波的效果，又兼顧無功功率補償的精度，快速投切響應保證對沖擊負荷進行快速跟蹤，可大幅度降低電壓的波動，解決低壓供電系統功率因數低、諧波污染大、電壓波動大等問題。當電路處于線性電阻狀態時，裝置處于空載運行模式，不參與電網工作；當處于感性特性時，裝置提供容性無功電流，當處于容性特性時，裝置提供感性無功電流。LSVG補償容感性負載時可達到0.99級補償效果，避免了過補和欠補的情況；并且可動態雙向（-1～1）連續調節無功功率。整套設備采用有源型補償電路，補償容量受系統系統電壓影響很小，系統整體響應時間＜5 ms，適合快速變化的場合。此外，還兼容RS232/USB，RS485/RS422，以太網等通訊方式，為系統集成、數據采集提供了便利條件。

4 治理效果

三級諧波治理體系架構投入使用后，電能質量測量的結果如圖4所示，電壓和電流波形的畸變明顯減少，接近標準正弦波，系統中主要的5次、7次、11次、13次、17次諧波含量大幅減少，諧波基本都得到消除，電流畸變率由27%下降到5%。

5 結語

諧波已成為煙草工業生產過程中電能質量的突出問題，三級諧波治理體系構架的使用，有效地補償了系統中大多數諧波電流，凈化電網環境，為配電網絡中的各個負載提供理想的電源支持，顯著提高用電設備工作可靠性；原有系統中諧波電流被基本補償完畢，不會再引起供電回路的無謂熱損耗；諧波電流不再回流到配電端的變壓器中，減少諧波電流在變壓器中的渦流損耗，減少變壓器的發熱和噪聲，有效提高變壓器的實際使用容量。

圖4 諧波治理后卷包供電系統電能質量檢測

［1］王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2009.

［2］姜齊榮，趙東元.有源電力濾波器-結構·原理·控制[M].北京：科學出版社，2008.

［3］陳建業.工業企業電能質量控制[M].北京：機械工業出版社，2008.

〔編輯李波〕

TM714

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.36