鋼鐵廠電力系統諧波產生及治理研究

李賀昌，程寶芳，蔣海牙

引言

“諧波”一詞起源于聲學，關于諧波的數學分析在18、19世紀已經奠定了基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍然被廣泛應用。電力系統諧波問題早在20世紀20年代便引起了人們的注意。到了20世紀50年代，世界各國都對電網諧波問題予以充分的關注。“諧波、電磁干擾、功率因數”是目前國際上公認的電網三大公害，其中諧波公害排首位。因此研究降低電力系統諧波的方法是十分必要的。

1　諧波的定義及國家標準及危害

國際電工標準(IEC555-2，1982)中關于諧波的定義是：“諧波分量為周期量的傅里葉級數中大于1的h次分量”。對于我國使用50 Hz電源來說基波為50 Hz，5次諧波為250 Hz，以此類推。

根據國標《電能質量－公用電網諧波》（GB/T14549－93）的規定，供電系統允許電壓畸變率如表1所示。

諧波產生的根本原因是用電負荷的非線性特性導致的，也就是說用電負荷的電壓與電流不成線性關系造成的波形呈現不規則的非正弦特征，通常我們就會發現在正弦波形出現大量毛刺。這種電流波形是由基波和與高次諧波組成，進而導致電網電壓嚴重失真。

表1　公用電網諧波電壓限值

目前公認的諧波源主要有三大類：

（1）電子開關型：各種以電力電子元件為基礎的開關電源設備，主要為變頻器以及大容量的電力晶閘管和可控開關設備等。

（2）鐵磁飽和型：各種鐵磁飽和特性呈現非線性特征的鐵芯設備，如變壓器、電抗器等。

（3）電弧型：冶煉電弧爐在熔化期間，由于其三相短路加熱特征導致電流不規則的波動。如LF爐等設備通過石墨電極與鋼液間產生電弧作為熱源。

諧波產生的危害主要有：危害設備穩定運行如電容器對高次諧波呈現低阻抗特性，諧波電流導致電容器長期工作在過載情況。諧波會使電動機的損耗增多、溫升加劇。諧波會引發保護裝置受到干擾而誤動或拒動，造成可靠性降低。諧波會導致測量和計量設備產生誤差。精密、精細加工工藝流程會因諧波問題而無法正常生產。

2　鋼鐵廠電力系統諧波及治理情況

目前治理諧波的方法主要有兩種：（1）采用無源濾波器PPF(Passive Power Filter）或稱為LC濾波器。（2）采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波的新型電力電子裝置，可克服LC濾波器等傳統諧波抑制方法缺點。其缺點是造價太高，受硬件限制，在大容量場合無法使用，有源濾波容量單套不超過100 kVA，目前最高應用電網電壓不超過690 V。以下就某鋼鐵熱軋生產線的諧波治理情況進行分析。

某110 kV變電站所帶熱軋生產線，35 kV系統主要為主傳動供電，其主傳動采用交直交變頻調速系統，其中含有大量的變頻裝置及大量大功率的功率元件，在實際生產過程中多次發生主傳動元件（IGCT）燒毀、輔傳動在制動回饋是整流單元報警等一系列故障，影響了正常生產。供電系統運行方式如圖1所示，主要對1#主變和3#主變中壓35 kV和低壓10 kV側進行諧波測試。

圖1　供電運行方式測試點示意圖

測試數據2～25次諧波含量均滿足國家標準，其中35 kVⅠ段1.75%，35 kVⅢ段為1.93%，國家標準為3%（國家標準僅要求測量25次以內的諧波），但是35 kVⅠ段高次諧波35、37、47、49次諧波含量偏高，其中47次諧波超標（額定2.4%，實際2.402%）。具體如圖2所示。

3　鋼鐵廠電力系統諧波治理情況

圖2　某35 kV變電站諧波電壓情況

根據35 kV系統高次諧波超標的情況，為了降低35 kV高次諧波含量使總諧波含量降低至國標允許范圍內，最終確定在35 kV系統加裝一套高次諧波吸收裝置同時考慮投入諧波吸收裝置后避免無功返送的情況，確定在35 kV系統投入固定式補償電容器（7.2 Mvar）以消除高次諧波、同時并聯5 Mvar的并聯電抗器，避免35 kV系統無功返送。在投入濾波裝置后該生產線的運行情況較之前明顯好轉，功率元件燒毀現象明顯減少，高次諧波含量明顯降低，電壓波形顯著改善。諧波治理方案主接線圖如圖3所示。電壓波形改善前后如圖4、5所示。

圖3　諧波治理方案一次系統圖

圖4　改善前35 kV母線電壓波形

圖5　改善后35 kV母線電壓波形

4　結論

隨著電力電子技術不斷發展，大量整流、逆變及大功率元件的應用，電力系統的電能質量普遍反映出越來越不能滿足用電設備的正常生產的需要。為確保電力系統電能質量達到國家標準，確保各類電力設備設施穩定運行，需要系統地考慮諧波的治理問題。

通過上述分析，對于軋線上整流逆變裝置偏多的情況可能會產生高次諧波，而且高次諧波超標同樣會影響用電設備的穩定運行水平，通過增設高通濾波器，能夠減少和抑制高次諧波的危害，提高工藝用電設備的穩定運行水平。建議從以下方面加強電力系統的諧波管理，并進行治理：

（1）重視高次諧波的監測和治理。定期對電力系統高次諧波進行監測和控制，一旦存在高次諧波超標的情況應視情況進行補償。

（2）做好對用戶新建或增容諧波源等進行合理的諧波檢測工作，建立用戶檔案，對超出諧波標準的用戶，及早采取限制措施，以減少對電網及對自身用電的污染。

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