某廠多能流耦合下的電網諧波交互特性分析及治理方案優化

關鍵詞：多能流耦合；電網諧波；交互特性；有源電力濾波器；FFU風機中圖分類號：TM922文獻標志碼：A文章編號：1671-0797（2025）13-0008-05DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.003

0 引言

隨著工業電氣化與電力電子技術的發展，多能流耦合系統中諧波交互特性日趨復雜，嚴重威脅電網電能質量與設備安全[。某電子玻璃潔凈廠房FFU（FanFilterUnit，風機過濾單元）系統因直流電機硅整流及變頻調速運行，產生以3次、5次為主的諧波污染，導致中性線電流超500A、電纜溫度 73^°C 等安全隱患。本文針對多能流耦合下諧波傳播機理，以該FFU系統為研究對象，分析諧波交互特性，提出基于有源電力濾波器的近源補償優化策略，并通過工程實測驗證其對諧波抑制與能效提升的有效性。

1多能流耦合下電網諧波交互特性分析

1.1 研究問題提出

在工業電氣化進程中，多能流耦合系統（如電力、控制信號、能量傳輸等多維度能量流交互）的諧波問題呈現出顯著的復雜性。當非線性負載（如變頻器、整流設備）接入多能流耦合電網時，諧波電流會通過不同能量流路徑產生疊加與耦合傳播，導致諧波污染范圍擴大、危害程度加劇。這種交互特性使得傳統單一諧波源的治理策略難以奏效，因此，亟需揭示多能流耦合下諧波的傳播機理與疊加規律[2]。

某電子玻璃廠3個潔凈主廠房FFU系統，每個主廠房兩條生產線共有670臺FFU，FFU分為交流電機和直流電機兩種形式，該廠采用直流電機，相較于交流電機其優點是功耗低、節約能耗，可實現無極調速，有利于滿足潔凈工藝生產要求。研究以其中一個主廠房FFU系統作為典型多能流耦合分析場景，其直流電機因硅整流及變頻調速運行，成為主要諧波源。實測數據（圖1）表明，該系統產生的諧波以3次、5次為主（3次諧波電流畸變率達 52% ，相線總電流178A） ，且由于3次諧波的零序特性，在中性線中形成電流疊加（中性線總電流超 500A） ，導致電纜溫度升至 73^°C ，功率因數低至0.82，引發設備過熱、變頻器誤動作等安全隱患。此類非線性負載與多能流電網的交互作用，使得諧波對電網的影響從單一設備擴展至整個供電系統，亟需針對其交互特性開展治理策略研究。

1.2 諧波交互特性建模與測試

1.2.1基于FFU拓撲的諧波生成機理分析

FFU系統采用單相直流電機驅動，其拓撲結構包含硅整流電路與變頻調速模塊，二者均為典型非線性元件。硅整流電路在將交流電轉換為直流電時，由于二極管或晶閘管的非線性導通特性，會產生大量3、5、7、9、11、13次奇次諧波，其中3次諧波占比最高（實測THDI達 52% ，3次諧波相線總電流178A）。變頻調速模塊通過PWM（脈沖寬度調制）技術調節電機轉速，其開關動作會引入高頻諧波分量，與整流諧波疊加后形成復雜的諧波頻譜[3]。

從拓撲特性看，FFU的直流電機供電回路可等效為非線性負載模型：當輸入正弦電壓時，整流器輸出非正弦電流，其頻譜包含基波與3、5、7次等奇次諧波。特別地，3次諧波作為零序分量，在三相系統中相位相同，導致中性線電流呈現“3倍疊加\"特性一實測中FFU供電中性線總電流達552A，遠超電纜安全負荷，印證了3次諧波的主導作用。

1.2.2 多能流耦合下諧波傳播路徑仿真與實測驗證

在多能流耦合場景中，FFU諧波通過電力流與控制信息流的交互路徑傳播[4]。

電力流傳播路徑：諧波電流從FFU設備出發，經二次配電箱 $$ 一次配電箱 $$ 低壓開關柜 $$ 變壓器，滲透至整個電網。實測顯示，1#廠房FFU運行時，變壓器低壓側中性線電流達584.6A，電纜溫度升至 73^°C ，斷路器局部溫度 70^°C ，均超過安全閥值。FFU供配電線路如圖2所示。

耦合交互路徑：諧波電壓通過電網阻抗耦合至控制信號回路，干擾PLC、傳感器等電子設備。例如，FFU變頻器誤動作案例中，諧波導致控制信號畸變，觸發過流保護誤跳閘。

通過PSCAD/EMTDC仿真平臺對FFU供配電系統建模，設置670臺FFU并聯運行場景，仿真結果與實測數據吻合：3次諧波在中性線中形成電流疊加，傳播至變壓器側時中性線電流達500A以上，與現場測量的552A誤差小于 10% 。這驗證了多能流耦合下諧波的“源-網-負荷\"交互傳播特性。

1.2.3 諧波對電網設備的影響量化

諧波對系統的危害通過以下維度量化[5]：

1電氣設備過熱風險：諧波電流導致電纜集膚效應加劇，實測治理前電纜溫度 .73^°C （安全限值 50^°C） ，斷路器溫度 70^°C ，設備絕緣老化速率提升3倍。研究表明，電纜運行溫度每升高 8～10^°C ，電纜的使用壽命縮短一半[6]。

2）功率因數劣化：非線性負載消耗無功功率，實測FFU供電回路功率因數低至 ，導致變壓器容量利用率下降 18% ，年無功損耗達12.5萬kW·h。

3設備誤動作風險：諧波干擾導致電機控制變頻器誤動作率增加 123% ，電子測量儀器誤差超過 ±5% 如治理前FFU轉速傳感器因諧波干擾出現 ±10% 的測量偏差。

綜上所述，FFU系統的諧波交互特性呈現“非線性生成-多路徑傳播-多設備影響\"的鏈式效應，亟需制定科學的針對性治理策略。

2多能流諧波治理方案優化設計

2.1 治理技術對比與選型

在多能流耦合場景中，有源電力濾波器（APF）存在集中補償、支路補償與就地補償三種典型補償模式。集中補償將APF安裝于低壓開關柜出線側，以主廠房為單位統一治理，雖施工便捷但諧波抑制范圍有限；支路補償則將APF部署于一次或二次配電箱支路出線側，按供電支路分區治理，可針對性抑制局部諧波，但補償精度仍受限于距離諧波源的位置；就地補償則直接在FFU設備本體安裝APF，通過最靠近諧波源的治理點實現精準補償。

對比三種模式在多能流耦合場景的適用性：集中補償成本最低，但因距諧波源較遠，難以消除線路傳播中的諧波疊加，對中性線電流高、諧波交互復雜的FFU系統效果有限；支路補償成本適中，可減少支路范圍內的諧波干擾，但無法阻斷諧波在不同支路間的耦合傳播；就地補償雖成本最高，但能從諧波產生源頭實時抑制，徹底切斷多能流耦合下的諧波交互路徑，尤其適用于FFU這類數量多、諧波源密集的非線性負載場景。

基于多能流耦合下諧波“源-網-負荷\"交互傳播特性，課題組綜合考量治理效果與系統兼容性，最終選擇就地補償方案。該方案通過在每臺FFU設備本體安裝APF，實現對3次、5次諧波的近源動態補償，從根本上解決中性線電流疊加、設備過熱等問題，相比其他方案更能適應多能流耦合系統的復雜諧波環境。

2.2 近源補償優化策略

2.2.1基于諧波交互傳播路徑的治理點選擇在多能流耦合系統中，FFU諧波經“設備-線路-電網\"電力流及“諧波電壓-控制信號\"耦合路徑傳播，形成復雜污染。本研究基于諧波源定位與傳播機理，選擇在FFU設備本體安裝APF的就地補償方案，其優勢在于：1）可以在諧波注入電網前實時抵消，如1#廠房中性線總電流從584.6A降至83A，降幅達85.8%;2） 縮短APF與諧波源距離，減少電壓畸變（從52% 降至 1.2% ，避免對控制設備干擾；3還能針對670臺FFU動態運行時3次諧波占比超 50% 的特性獨立補償，適配負載分散性與動態性。

2.2.2 動態諧波抑制算法設計

為實現對FFU諧波的動態抑制，APF采用“實時檢測-快速補償\"閉環控制策略：基于瞬時無功功率理論（ip-iq法）對輸入電流頻域進行分解，快速提取3次、5次等諧波分量，實測3次諧波檢測精度達 98.7% 、響應時間 lt;5ms ；通過DSP生成與諧波電流幅值相等、相位相反的補償指令，經PWM調制驅動IGBT模塊注入反相電流，如3次諧波相線總電流從178A抑制至 30.8A 。算法集成諧波抑制與功率因數校正，自適應調節PI參數，同步實現THDI從 52% 降至 1.2% ，功率因數從0.82升至0.99。

3 治理實施與效果驗證

3.1 工程實施與數據監測

針對1#廠房670臺FFU設備的諧波問題，采用蘇州市恩威特環境技術有限公司的“有源電力濾波器（APF）就地補償\"方案。具體實施步驟如下：

1設備安裝：每臺FFU設備本體安裝獨立APF模塊，直接接入FFU電源輸入端，確保治理點緊鄰諧波源。

2）系統調試：通過APF內置的DSP控制器實時檢測諧波分量，動態調整補償電流參數，確保3次、5次諧波抑制精度。調試期間，使用Fluke電能質量分析儀對每臺FFU的電流波形進行校準，確保補償電流與諧波相位嚴格反向。

3協調控制：所有APF模塊通過RS-485通信網絡與中央監控系統連接，實現諧波抑制策略的集中優化與動態負載均衡。

通過現場實測數據對比治理前后的核心指標變化，如表1所示。

3.2 多維度效果評估

3.2.1 諧波抑制效果

如圖3所示，治理后，系統電壓畸變率從治理前的 52% 顯著降至 1.2% ，遠低于國標GB/T14549—1993《電能質量公用電網諧波》中規定的公共電網諧波電壓限值（400V電網電壓總畸變率 ≤5% 。3次諧波電流從178A降至30.8A，滿足國標中“ 220V/ 380V電網中3次諧波電流限值 ?38A ”的要求，諧波頻譜中的奇次分量（如5次、7次諧波）也同步得到有效抑制。

如圖4所示，從頻譜分析來看，治理前3次諧波占比達 52% ，治理后各次諧波含量均控制在 1.5% 以內，驗證了APF近源補償對復雜諧波交互特性的抑制能力。

3.2.2 能效提升

系統功率因數從0.82提升至0.99，變壓器容量利用率提高約 18% 。經實測，治理后有功功率從 222.6kW 降至 183.9kW ，功率減少 38.7kW ，按年運行時間 3760h 計算 （24h×365 天），年節電量達33.9萬kW·h，折合電費約21萬元[按0.62元/ （kW?h） 計]。同時，無功損耗顯著降低，電網傳輸效率提升，有效緩解了非線性負載對電網的能效損耗問題。

3.2.3 設備安全改善

電纜溫度從 .73^°C 降至 35^°C ，低于安全限值 （50^°C） ，絕緣老化速率從“每升高 8～10^°C 使用壽命縮短一半\"6恢復至正常水平，設備預期壽命延長3倍以上。中性線電流從584.6A降至 83A ，降幅達 85.8% ，徹底消除了電纜過熱引發的火災隱患。此外，變頻器誤動作率從治理前的 23% 降至 1% 以下，控制信號畸變率降低至 0.8% ，電子設備運行穩定性顯著提升。

4結束語

本文針對多能流耦合系統中FFU的諧波交互問題，揭示了3次、5次諧波在多路徑傳播中的疊加機制，提出基于有源電力濾波器的近源補償策略。工程實測表明，該策略使中性線電流下降 85.8% ，電纜溫度降至安全閾值，功率因數提升至0.99，有效解決了設備過熱與電網能效損耗問題。研究成果為多能流耦合場景下非線性負載的諧波治理提供了可供復制的工程范式，未來可進一步探索多類型諧波源協同治理與智能算法優化，以適應工業電氣化進程中復雜電能質量調控需求。

[參考文獻]

[1］秦文超，劉旭斐，張斌.基于模糊區間算法的多能耦合系統電能流潮流計算[J].電子器件，2024，47（5）：1344-1349.

[2]劉繼哲.考慮靈活性資源參與多能耦合系統的安全協調優化[D].吉林：東北電力大學，2024.

[3]袁長富，馬玉祥，臺兵，等.實測畸形波的數值重構及機理分析[J].哈爾濱工程大學學報，2024，45（10）：1904-1912.

[4]許慶桑.電力系統諧波擾動源辨識與多頻耦合評估研究[D].濟南：山東大學，2024.

[5]趙慶元，王鵬飛，孔金良，等.電網諧波的危害及其抑制技術研究[J].電力設備管理，2024（21）：49-51.

[6」段玉兵，韓明明，王兆琛，等.不同熱老化溫度下高壓電纜絕緣特性及失效機理[J].電工技術學報，2024，39（1）：45-54.

收稿日期：2025-05-27

作者簡介：鐘力（1979一），男，陜西漢中人，高級工程師，研究方向：電氣工程及自動化。