Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran

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Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran

AbstractThrough analyzing the advantages and disadvantages of all kinds of harmonic elimination devices, the application of a new type harmonic elimination device in industrial project is introduced.

Keywordsharmonic current, harmonic voltage, reactive power compensation, passive filter, active filter

0引言

諧波引起電能質量下降，造成能耗損失的問題越來越受到重視，本文從諧波的產生原因、危害及治理三個方面簡要分析，對比目前常用的幾種諧波治理裝置，介紹了一種新型的諧波治理與節能省電裝置在工業項目中的應用。

1諧波產生的原因

電網中的諧波來源于電氣設備，包括發電設備、輸配電設備和用電設備。當發電機端電壓和變壓器一次側電壓高于額定電壓10%時，磁飽和會使出口諧波顯著增加。由于國家規范規定供電電壓偏差不能超過10%，前兩類電氣設備對電網諧波影響很小，故電網中諧波主要來源于大量的電弧加熱、變頻、整流及開關電源等非線性用電設備。

2諧波的危害

諧波能量污染電網，降低電能質量，且對供配電系統及用電設備造成的危害有：

1)引起設備發熱，增加附加損耗，降低工作效率，嚴重時會損壞設備。

2)可能引起局部的串聯或并聯諧振，使諧波放大，造成過電壓或過電流。

3)干擾通信系統，降低通信質量，嚴重時可能引起信號丟失，甚至發生安全事故。

4)加速電氣設備絕緣老化，降低設備壽命。

5)干擾設備正常運行。

6)造成保護開關過載，降低開關實際容量。

7)造成無功補償設備損壞，加大線路損失，占用變壓器的容量空間。

8)使測量儀表產生誤差，繼電保護設備工作紊亂。

3無功優化和諧波治理措施

單純的無功補償已不能滿足高能耗、高諧波污染企業的諧波治理要求，應該積極地采用無功優化和諧波治理措施。

高能耗、高諧波污染企業所安裝的功率因數補償裝置只能被動滿足供電局對功率因數的要求，但是對于內部產生的諧波危害和損耗以及衍生的無功損耗無能為力，極易造成企業能耗損失。

如果采用單純的無功補償方式，電容器容易與系統產生諧振，雖然表面上提高了功率因數，但也隨之放大了諧波電流，降低了補償電容壽命，容易損壞電容器，嚴重時還會引起爆炸和火災。系統示意圖見圖1。

圖1　無功補償裝置系統示意圖

因為諧波源設備產生的無功及諧波會導致功率因數降低，故需加裝無功補償柜，使功率因數提高到0.9以上，避免供電局罰款。

單純的無功補償解決不了的問題有：

1)線路損耗：諧波電流及無功電流流經導線L1和L2，造成導線(L1、L2)上面的電壓降及線路損耗。

2)變壓器損耗：諧波及無功電流造成變壓器的損耗增加，并占用變壓器的容量空間。

3)對補償電容器的影響：諧波電流增加電容器的工作電流，容易使其發生過負荷或損壞。

以上各種危害及損耗均主要源于諧波危害，如果就地治理諧波，可獲得良好效果，包括企業功率因數提高、無功補償的容量降低及其使用壽命和可靠性提高等。

4無源濾波器

無源濾波器系統示意圖見圖2。通常設計中，在低壓無功補償電容器前串聯一定比例的電抗器組成單調諧濾波器，可在進行無功補償的同時治理含量最高的某次諧波。特殊建筑(如大型醫院等)中也可采用專用的無源濾波器就地進行諧波治理。

圖2　無源濾波器系統示意圖

4.1優點

設備簡單(選用標準的電容器和特制的電抗器)、成本低、運行穩定、技術相對成熟、容量大、適用電壓高(低壓無源濾波器可達3 000V)、能達到基本的濾波效果。

4.2缺點

1)當電容器串聯電抗器時，由于補償電容器通常利用功率因數控制電容器組的投切，所以如果電網功率因數不滿足設定要求，補償電容不投運，相應的，無源濾波裝置也不能發揮作用。

2)諧波濾除效率低(通常只有80%的濾除率)，而且會不可避免地對基波進行無功補償。另外，諧振點會隨著使用時間的延長發生漂移，導致濾波效果變差。

3)僅能對固定次數諧波進行有效治理，不能隨意擴容，容易受到電網系統阻抗影響。如圖2所示，當使用3次濾波時可以有效濾除諧波，但另加5次或7次諧波濾波器時，3個濾波回路成并聯現象，導致原設計的L-C諧振點變化，濾波效果也改變。

4)對電抗器和電容器參數的選配要求嚴格，當串聯的電抗器與補償電容器比例選配不合適時，容易引發諧振，放大諧波，損壞電容器。

5)串聯濾波電抗器以后，無功補償電容器的運行電壓會有所提高。

6)串聯電抗器時，通常使L-C串聯電容器組遠離相鄰諧波的諧振頻率，避免引起相鄰次諧波的諧振。如6脈整流的大功率設備，其5、7次諧波都很嚴重，當對電容器組串聯4%的電抗抑制7次諧波時，會對5次諧波源引起諧振，故串聯電抗器比例宜取5%～6%，目前廠家多為7%，也因此導致了濾波效果的不理想。

7)容易與系統發生并聯諧振，如圖2所示，3次、5次、7次諧波濾波器的電抗容易與干擾源(或負載)互相干擾，產生諧振現象。

8)若負載增加，可能因超載而損壞。

5有源濾波器

有源濾波器系統示意圖見圖3。圖3中，有源濾波器產生與干擾源諧波成分(假設為3次、5次)大小相等但極性相反的諧波信號。開關S閉合，A點接近于基波信號。

圖3　有源濾波器系統示意圖

5.1優點

濾波器能對諧波進行實時跟蹤，反應迅速，補償特性不受電網阻抗的影響，不會產生諧振，濾波效果好(一般>95%)，適宜在電信、醫院等建筑中使用。

5.2缺點

1)只能治理電流諧波。

2)價格高、容量小，當電網諧波容量大時，需與無功濾波器配合使用。

3)本身能耗較大，需要直流電源供電，節能效果不夠明顯。

4)自身發熱量大，對使用環境要求較高，不適合在惡劣環境下工作。

5)由大量電子元器件組成，且采用IGBT器件，可靠性較無源濾波器低。

6)一般治理范圍≤50次諧波，不適合治理高頻諧波。

6新型諧波治理與節能省電裝置(在線式高效諧波治理裝置)

圖4　在線式高效諧波治理裝置系統示意圖

系統示意圖見圖4。圖4中，B1為串聯濾波裝置，具有增大與系統之間的電氣距離、減小系統諧波的相互影響、吸收無功功率、隔離諧波源的諧波電流流入電網而引起電壓畸變等功能。B2為并聯濾波裝置，可起到治理諧波的作用。B1和B2的磁通量隨線路電流而改變，能起到磁放大和反饋效果。

6.1設備功能

1)治理諧波電壓和諧波電流。

2)補償無功功率，提高功率因數。

3)抑制電流異常波動。

6.2優點

1)環境適應性強，對溫度高、濕度大、酸堿性強、粉塵多的環境有一定的防護能力，適合工業使用。

2)適用于電網質量較差的場所。

3)工作模式主要為就地治理，可避免諧波污染范圍擴大。

4)可提高功率因數，降低無功損耗及諧波損耗，節約電能。

5)裝置本身功耗小，濾除諧波后，可達到節能省電的效果。

6)電子器件少、可靠性高，幾乎不存在后期維護問題。

7)實時響應，治理諧波無延遲。

8)價格低、性價比高。

9)單機容量大，適用于大容量的工業設備。

6.3缺點

1)本裝置需串聯系統進行工作，當在線路內串接入電抗器時，一定程度上會使電壓損失和電壓偏移增大。當裝置與諧波源設備間的線纜發生短路故障時，其饋線短路電流減小。故在工程設計中應予以校驗或留有裕量。

2)治理對象以單一諧波源設備為主，不宜使用混合負載，故工作模式主要為就地治理。

3)體積偏大，質量偏重。

7諧波治理和無功優化的意義

1)彌補現有無功補償柜功能或容量的不足。

2)治理諧波能使現有無功補償柜更安全、可靠地工作。

3)諧波治理和無功優化能提高電能質量，降低現有變壓器的容量占用。企業既可滿足供電局對功率因數的要求，又能得到實質經濟效益。

4)降低無功損耗及諧波損耗，達到節約電能的效果。

5)對于新建項目，可減少無功補償安裝容量，降低工程費用和電費，提高企業利潤。

8新型諧波治理與節能省電裝置在工業項目中的應用案例

8.1某中頻爐車間

1)簡介

某廠中頻爐車間諧波電壓與諧波電流含量超出國家標準，導致電能損耗嚴重。

2)治理前后電氣特性比較

治理前：P1=1 244kW，Q1=438kvra，S1=1 319kVA，PF1=0.94，THDU=8.18%，THDI=25.36%。

治理后：P2=1 244kW，Q2=251kvar，S2=1 269kVA，PF2=0.98，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后視在功率差額△S=S1-S2=1 319-1 269=50kVA。

節能率：(50/1 319)×100%=3.8%。

省電：按節電率7%計算(現場實測值)。

全年電費核算：C=P×H×R=1 244×6 000×0.76=5 672 640元。

全年節約電費：5 672 640×7%≈40萬元/年。

其他：治理諧波后，諧波含量降低，功率因數提高，設備故障率明顯降低。

8.2某印刷廠印刷機設備

1)簡介

某廠有4臺印刷設備，其諧波電壓、諧波電流含量及功率因數均未達到國家標準，電能損耗極為嚴重。

2)治理前后電氣特性比較

治理前(單臺)：P1=54kW，Q1=171.2kvar，S1=179.6kVA，PF1=0.3，THDU=14.2%，THDI=40.43%。

治理后(單臺)：P2=54kW，Q2=26kvar，S2=60kVA，PF2=0.9，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后視在功率差額(單臺)：△S=S1-S2=179.6-60=119.6kVA。

節能率：(119.6/179.6)×100%=67%。

全廠4臺共計減少視在功率：4×119.6=478.4kVA。

省電：按節電率15%計算(現場實測值)。

全年電費核算(單臺)：C=P×H×R=54×7 000×0.75=283 500元。

全年節約電費(單臺)：283 500×15%=42 525元/年。

全廠4臺共計年節電：42 525×4=170 100元/年。

其他：進行諧波治理和無功優化后，設備視在功率減少67%，節約了變壓器可用容量，提供了設備增容空間。同時，由于諧波含量降低，功率因數提高，避免了供電部門的罰款，設備故障率也明顯降低。

8.3分析

由以上分析可以得到諧波治理、無功優化與節能省電的關系：

1)由于諧波含量與無功功率降低，視在功率大幅減少，所以達到了節能效果，節約了變壓器容量。

2)由于諧波含量與無功功率降低，諧波損耗、無功損耗及整體能耗均降低，節省了電費。

3)功率因數的提高，滿足了供電局的要求，避免了罰款。

4)其他：諧波含量降低，功率因數提高，對設備的危害相應減少，降低了設備故障率。

9結束語

諧波治理方案的確定需要綜合考慮，根據不同項目類型及工況進行技術、經濟性比較，從而選用適合的諧波治理裝置和方案。有時，還需要幾種不同的諧波治理裝置同時配合使用才可達到最佳的諧波治理效果。

參考文獻

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新型諧波治理與節能省電裝置應用

肖彥 / 王浩然

(中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

摘要通過對各類諧波治理裝置優缺點進行比較分析，介紹一種新型諧波治理裝置在工業項目中的應用。

關鍵詞諧波電流諧波電壓無功補償無源濾波器有源濾波器