廠房供電系統(tǒng)中諧波分析與治理措施

電網(wǎng)中理想的電壓電流波形是50Hz的正弦波，電壓與電流的相位一致，功率因數(shù)為1。實(shí)際電網(wǎng)中的負(fù)荷千差萬別，尤其隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量非線性負(fù)荷增加，特別是電力電子技術(shù)、節(jié)能技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，在通信、交通、汽車工業(yè)、工程機(jī)械、冶金鋼鐵、煤礦、石油石化等部門大量使用各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、電力電子調(diào)壓設(shè)備、電熔煉設(shè)備、電化學(xué)設(shè)備、礦井起重設(shè)備、露天采掘設(shè)備、電氣機(jī)車等與日俱增，這些非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波污染會(huì)對(duì)電網(wǎng)和用戶帶來越來越多的干擾和影響，影響用電設(shè)備安全，增加電能損耗。

1諧波的定義與危害

根據(jù)國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)GB/T14549-93》的定義：“諧波(分量)為對(duì)周期性交流分量進(jìn)行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。"也就是說諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。

諧波研究的意義在于諧波會(huì)嚴(yán)重影響用電設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全、可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①誘發(fā)電網(wǎng)諧振，導(dǎo)致諧波過電壓和過電流，引起嚴(yán)重事故，損壞電容器補(bǔ)償?shù)入姎庠O(shè)備。②導(dǎo)致異步電機(jī)和變壓器產(chǎn)生附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和諧波過電壓，降低效率和利用率，縮短使用壽命。③諧波電流頻率增高會(huì)引起電力電纜和配電線的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻變大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成火災(zāi)隱患。④對(duì)通信、電子或自動(dòng)控制設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。⑤諧波電流使斷路器遮斷能力降低，導(dǎo)致斷路器、接觸器等不能安全穩(wěn)定工作。⑥致使電力保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，導(dǎo)到處區(qū)域性停電事故。⑦使電力系統(tǒng)各種測量儀表誤差變大，甚至無法工作。⑧干擾或影響各類低壓電器的正常使用。

2工業(yè)廠房諧波源

工業(yè)廠房所常用的非線性用電設(shè)備主要有四大類。

（1）電弧加熱設(shè)備，如電弧爐、電焊機(jī)等電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì)有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。此外，弧電流的波形還有一定的非對(duì)稱性。

（2）交流整流的直流用電設(shè)備，如電解、電鍍等交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因時(shí)由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提髙，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流,在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低°

（3）交流整流再逆變用電設(shè)備，如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

（4）開關(guān)電源設(shè)備？如中頻爐、電子整流器等開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級(jí)電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。

3諧波治理措施分析

由于諧波引起的危害在不斷擴(kuò)大，為了減少電力系統(tǒng)中諧波問題,我國于93年發(fā)布實(shí)施了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993),對(duì)諧波、負(fù)序電流注入電網(wǎng)的量做出明確的規(guī)定，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。目前主要從兩個(gè)方面對(duì)諧波進(jìn)行治理。

一方面是提高供電電壓等級(jí)，以提高與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的短路容量，使諧波對(duì)電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi),但這并不是通過消除諧波本身對(duì)電網(wǎng)的不利量值來解決電網(wǎng)的影響，而是把這些量值送到更高電壓等級(jí)的電網(wǎng)去擴(kuò)散，以降低對(duì)電網(wǎng)的影響。

另一方面是從諧波源著手，在根本上消除大部分諧波量值，以使其對(duì)電網(wǎng)的干擾降至*低。通常采用無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF兩種諧波抑制裝置。就目前情況來說，這種方法的使用效果更加明顯，使用前景更加理想。

無源LC濾波裝置無源LC濾波裝置是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，其基本原理是利用電路諧振的特點(diǎn)，形成某次或某些諧波的低阻抗通道，將大部分諧波電流分流，分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等幾種。單調(diào)諧濾波器僅針對(duì)某一特定設(shè)計(jì)頻率，例如3次、5次、7次等'形成對(duì)特定次數(shù)諧波的低阻抗通道。實(shí)際中常用幾組針對(duì)不同頻率的單調(diào)諧濾波器和一組二階高通濾波器組成濾波成套裝置。LC濾波器中含用一定量的電容，可提供固定容量的無功功率，起到一定的改善功率因數(shù)效果。如圖1所示，針對(duì)可控硅整流電源型諧波源，設(shè)置了5.7.11次單調(diào)諧濾波支路。由于特定次數(shù)的諧波電流值與所流經(jīng)支路諧波阻抗成反比，諧波源產(chǎn)生的諧波電流中,80-90%流經(jīng)濾波支路，只用10-20%的諧波電流注入系統(tǒng),起到很好的諧波濾除效果。為適應(yīng)諧波變化的情況，也常用可控硅對(duì)濾波器組進(jìn)行動(dòng)態(tài)投切，稱為TSFO

無源濾波具有投資少，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但無源濾波也存在諸多缺點(diǎn)如受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，只能消除特性的幾次諧波，濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)，有效材料消耗多、體積大等。

圖1

有源濾波裝置有源濾波器(ActivePowerFilter，縮寫為APF）oAPF的工作原理是并聯(lián)接入電力系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流波形，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流成分,并將其反向，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)濾除（抵消）諧波功能。另外，還可提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)功率吸數(shù)、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。APF相當(dāng)于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)。如圖2所示。

與無源濾波器相比,APF有以下特點(diǎn)：

①不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變,補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比上較為合理;②濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；③具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)。同時(shí)APF也存在造價(jià)高、運(yùn)行損耗大、容量受到限制等缺點(diǎn)。

4濾波器裝置在工程中的合理應(yīng)用

工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)通常為混合型配電系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)工業(yè)廠房的配電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行分類，做到同類別設(shè)備由同一配電干線供電，甚至由專用變壓器供電。對(duì)不同設(shè)備所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行針對(duì)性治理，使其發(fā)揮*大的作用,減小不同設(shè)備的互相干擾。工業(yè)廠房配電系統(tǒng)的諧波治理方式可分為總補(bǔ)償方式、部分補(bǔ)償方式和局部補(bǔ)償方式。如圖3所示

（1）總補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載位置分散且單臺(tái)容量較小時(shí),宜采用集中補(bǔ)償方案。如輕工業(yè)園區(qū)，各工廠規(guī)模較小，設(shè)備較少，往往整個(gè)工廠的變壓器安裝容量不到lOOOkVA,在低壓電源總進(jìn)線處安裝APF,就能有效地消除諧波。

（2）部分補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載集中在某幾條支路時(shí)，宜采用部分補(bǔ)償方案。如工程機(jī)械聯(lián)合生產(chǎn)車間的焊接區(qū)與涂裝區(qū)，設(shè)備均集中在某一區(qū)域，一般采用單獨(dú)的母線供電，可在母線的供電端安裝相對(duì)應(yīng)的無源濾波器，這樣即能有效的抑制諧波又節(jié)省投資。

（3）局部補(bǔ)償方式當(dāng)配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載集中，單臺(tái)容量較大時(shí)，宜采用局部補(bǔ)償方案。如鋼鐵行業(yè)的電弧爐、水泥行業(yè)的懶燒用大型轉(zhuǎn)窯等，這類設(shè)備對(duì)其他設(shè)備的干擾很大，應(yīng)就地安裝APF進(jìn)行消諧。

5電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

5.1概述

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)主要研究供配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補(bǔ)償、諧波及綜合治理等，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負(fù)載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計(jì)解決方案，以達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

5.2典型行業(yè)

①商業(yè)中心/辦公大樓/醫(yī)療/機(jī)場/體育館：空調(diào)、電梯、LED屏幕、可控硅調(diào)光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器、整流器等；

④學(xué)校/研究院：實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房設(shè)備、數(shù)據(jù)中心；

⑤工廠：使用大型設(shè)備的生產(chǎn)線，高精度數(shù)控中心等；

⑥通信/金融/醫(yī)療/商業(yè)中心：UPS、開關(guān)電源等。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)由低壓側(cè)電能治理產(chǎn)品組成，主要產(chǎn)品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發(fā)生器、ANSNP中線安防保護(hù)器、ANHPD諧波保護(hù)器、ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置、ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置、ANSVG-S-A混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置、ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償

6 產(chǎn)品選型

6.1諧波治理產(chǎn)品選型

7產(chǎn)品功能

7.1 ANAPF有源電力濾波器

APF模塊

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)上，負(fù)載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中，通過實(shí)時(shí)檢測電路將負(fù)載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經(jīng)控制系統(tǒng)快速運(yùn)算，采用PWM控制IGBT的觸發(fā)。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流，該補(bǔ)償電流與負(fù)荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波。

7.2 ANSNP中線安防保護(hù)器

互感器

ANSNP壁掛模塊

ANSNP中線安防保護(hù)器通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

7.3 ANSVG靜止無功發(fā)生器

觸摸屏

互感器

ANSVG模塊

ANSVG靜止無功發(fā)生器是一種用于補(bǔ)償無功以及不平衡的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小變化的無功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點(diǎn)。

7.4 ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置

（1）分立元件方案

ANBSMJ電容

ANCKSG電抗

AFK復(fù)合開關(guān)

ARC控制器

ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4kV電網(wǎng)的無功功率自動(dòng)補(bǔ)償；它集無功補(bǔ)償、電網(wǎng)監(jiān)測于一體，不但可以通過投切電容器組來補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù)，降低線損，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量；同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）智能電容方案

AZCL智能電容

ARC28F控制器

AZC系列智能電力電容補(bǔ)償裝置是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。AZC由智能測控單元，投切開關(guān)，線路保護(hù)單元，低壓電力電容器等構(gòu)成，AZCL在AZC的基礎(chǔ)上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環(huán)境。改變了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式。具有補(bǔ)償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護(hù)更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點(diǎn)。

7.5 ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置

觸摸屏

互感器

ANSVG-G-A模塊

ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償無功的同時(shí)可兼治理系統(tǒng)的諧波，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量，通過控制計(jì)算及邏輯變化，計(jì)算出系統(tǒng)所需的無功分量及諧波分量，然后通過三相全橋換流電路實(shí)時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的無功與諧波電流注入到配電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)償，兼諧波治理。

7.6ANSVG-S-A系列混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-A模塊

ANSVG-S-A系列混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置應(yīng)用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟(jì)性和APF濾波的性等特點(diǎn)為基礎(chǔ)，將兩者技術(shù)相結(jié)合，提高傳統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，在降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)諧波治理與無功補(bǔ)償。

7.7ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-G模塊

ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是一種用于補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統(tǒng)主動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)的線性動(dòng)態(tài)需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機(jī)主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補(bǔ)償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。

8 應(yīng)用案例

8.1概述

某工廠負(fù)載為空壓機(jī)、注塑機(jī)一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源，客戶要求針對(duì)諧波電流進(jìn)行治理，改造前/后實(shí)測數(shù)據(jù)如下：

治理前數(shù)據(jù)截圖

治理后數(shù)據(jù)截圖

現(xiàn)場安裝圖

8.2測量前/后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

8.3測量前/后數(shù)據(jù)分析

從治理前后的測量數(shù)據(jù)電流波形對(duì)比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑，更加趨近于正弦波形。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，諧波電流主要以5、7、11次為主，治理前的5、7、11次諧波電流均超出國標(biāo)限值（5次62A、7次44A、11次28A），經(jīng)過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下，滿足國標(biāo)對(duì)于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%，滿足國標(biāo)限值電壓畸變率≤5%的要求，各項(xiàng)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，諧波治理效果明顯。

9典型業(yè)績

10結(jié)語

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿δ茉匆廊皇请娔?，絕大多數(shù)工廠都是從國家電力系統(tǒng)取得電能的。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的高速發(fā)展，對(duì)電能的需求將越來越大，而用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波也將越來越大。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡銘，陳衍.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000.

[2]諸俊偉.電力系統(tǒng)分析[M].北京：水利電力出版社,1995.

[3]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社,1998.

[4]吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京沖國電力出版社,1998.

[5]電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波GRT14549-1993[J1].

[6]陳祥金.工業(yè)廠房供電系統(tǒng)諧波分析與治理

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.