諧波不和諧

摘要

非線性電氣負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流增大了電力系統(tǒng)熱損耗和終端用戶的用電費(fèi)用。這些與諧波有關(guān)的損耗降低了系統(tǒng)效率，造成設(shè)備過熱并增加了電力成本和空調(diào)費(fèi)用。隨著諧波產(chǎn)生的負(fù)載量不斷增加，在擴(kuò)大或改造現(xiàn)有設(shè)施時(shí)解決諧波負(fù)載的影響變得越來越重要。

諧波電流對(duì)配電系統(tǒng)及其饋電的設(shè)施具有明顯影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)必須考慮它們的影響。此外，確定非線性負(fù)載的規(guī)模和位置也是所有維護(hù)、故障排除和修理計(jì)劃的重要組成部分之一。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的諧波問題

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負(fù)載發(fā)射的。開關(guān)模式電源(SMPS)、調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、復(fù)印機(jī)、個(gè)人電腦、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、電池充電器以及UPS等都屬于非線性負(fù)載。單相非線性負(fù)載在現(xiàn)代辦公大樓中較為常見，而三相非線性負(fù)載則普遍存在于工廠和工業(yè)車間里。

多數(shù)配電系統(tǒng)上的大部分非線性電力負(fù)載來自SMPS設(shè)備。比如，所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用SMPS把市電交流電壓轉(zhuǎn)換為供內(nèi)部電子設(shè)備使用的穩(wěn)定低壓直流電。這些非線性電源會(huì)產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴(yán)重失真——諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統(tǒng)，將影響連接在同一電源上的其他設(shè)備。

多數(shù)電力系統(tǒng)可以容忍一定程度的諧波電流，但當(dāng)諧波在總負(fù)載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。隨著這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統(tǒng)，它們會(huì)造成通信錯(cuò)誤、過熱和硬件受損，比如：

? 配電設(shè)備、電纜、變壓器、備用發(fā)電機(jī)等過熱

? 諧波阻抗造成的高電壓和環(huán)流

? 發(fā)熱并浪費(fèi)電能的高中性線電流

? 因電壓失真嚴(yán)重導(dǎo)致設(shè)備故障

? 增大了連接設(shè)備中的內(nèi)部能耗，造成元器件失效并縮短使用壽命

? 支路斷路器偽跳閘

? 計(jì)量錯(cuò)誤

? 配線和配電系統(tǒng)失火

? 發(fā)電機(jī)失效

? 高振幅系數(shù)及有關(guān)問題

? 降低系統(tǒng)功率因數(shù)，導(dǎo)致可用功率減小(kW對(duì)kVA)和每月電費(fèi)處罰

諧波技術(shù)概覽

諧波是頻率達(dá)基頻整數(shù)倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那么第2諧波為120 Hz，第3諧波為180 Hz等(見圖1)。當(dāng)諧波頻率占主導(dǎo)時(shí)，配電盤和變壓器會(huì)與高頻諧波產(chǎn)生的磁場形成機(jī)械共振。發(fā)生這種情況時(shí)，配電盤或變壓器會(huì)振動(dòng)并針對(duì)不同諧波頻率發(fā)出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統(tǒng)中最為常見的頻率范圍。

所有周期波都會(huì)隨各種頻率的正弦波產(chǎn)生。傅里葉定律把一個(gè)周期波分解為其分量頻率。

諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

信號(hào)的總諧波失真是衡量諧波失真的指標(biāo)，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號(hào)的失真程度(見圖3)。

圖3 總諧波失真

補(bǔ)償及減小諧波的解決方案

雖然限制產(chǎn)生諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)正在考慮之中，今天的諧波控制主要依賴于補(bǔ)救方法。補(bǔ)償或減小電力系統(tǒng)諧波可以采取多種手段，其效果和效率各不相同。

增大中性線配線規(guī)格

現(xiàn)代設(shè)施中，中性線的配線容量規(guī)格常常要求與電力配線相同或更大——盡管電力規(guī)范允許減小其規(guī)格。支持多臺(tái)個(gè)人電腦（比如呼叫中心）的設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)定中性線配線超過相線規(guī)格1.73倍。對(duì)辦公室隔間里的配線尤其要多加注意。需要指出的是，這種方法可以保護(hù)建筑物配線，但不能保護(hù)變壓器。

使用單獨(dú)的中性導(dǎo)線

在三相分支電路上，要單獨(dú)為每根相線導(dǎo)線敷設(shè)中性導(dǎo)線，取代多線分支電路共用一條中性導(dǎo)線的做法。這樣可以增大分支電路處理諧波負(fù)載的容量和能力。這種方法可以有效抑制分支電路中性線上諧波增大，但配電板中性母線和饋電中性導(dǎo)線仍須考慮。

使用不會(huì)受諧波影響的直流電源

在典型數(shù)據(jù)中心里，配電系統(tǒng)通過一臺(tái)變壓器把480V交流市電轉(zhuǎn)換為對(duì)服務(wù)器機(jī)架饋電的208V交流電。每臺(tái)服務(wù)器中的一個(gè)或幾個(gè)電源再把該交流電轉(zhuǎn)換為供服務(wù)器內(nèi)部組件使用的直流電壓。

這些內(nèi)部電源能效不高，它們產(chǎn)生大量熱，增加了房間的空調(diào)系統(tǒng)的工作量以及運(yùn)轉(zhuǎn)成本。熱耗散也限制了一個(gè)數(shù)據(jù)中心里能容納的服務(wù)器數(shù)量。選擇使用直流電來消除這一環(huán)節(jié)是值得的。

根據(jù)《能源與電力管理》雜質(zhì)中一篇文章的說法，“配備直流電源而非交流電源的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器產(chǎn)生的熱量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服務(wù)器的可靠性和安裝靈活性，也減少了維護(hù)需求。”

聽起來不錯(cuò)，但綜合考慮成本、兼容性、可靠性和效率時(shí)，棄交流電不用而選擇直流電對(duì)多數(shù)數(shù)據(jù)中心來說并不可行。交流電——盡管其效率略低——但對(duì)現(xiàn)有設(shè)備是普遍可以接受的。

此外，目前尚無針對(duì)數(shù)據(jù)中心高電壓點(diǎn)的保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)安全標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)交流系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)則十分成熟。這意味著安全風(fēng)險(xiǎn)勝過了直流電的潛在效益，至少目前是這樣。

在配電元件中使用K級(jí)變壓器

標(biāo)準(zhǔn)變壓器不是針對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的高諧波電流而設(shè)計(jì)的。當(dāng)連接這些負(fù)載時(shí)會(huì)過熱并過早發(fā)生故障。當(dāng)諧波開始以具有有害影響的程度引入電氣系統(tǒng)中時(shí)(circa 1980)，該行業(yè)的應(yīng)對(duì)措施是開發(fā)了K級(jí)變壓器。K級(jí)變壓器不是用于消除諧波，而是用于處理諧波電流產(chǎn)生的熱量。

K系數(shù)額定值范圍在1到50之間。針對(duì)線性負(fù)載設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)變壓器K系數(shù)為1。K系數(shù)越高，變壓器能夠承受諧波電流產(chǎn)生的熱量越多。選擇正確的K系數(shù)非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼘?duì)成本、效率和安全性都有影響。

K系數(shù)較高的變壓器一般比K系數(shù)較低的變壓器更大，因此要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的諧波曲線選擇合理的K系數(shù)，從而在尺寸、效率和耐熱能力之間取得最佳平衡。下表給出了針對(duì)電氣系統(tǒng)中不同百分比非線性電流的適當(dāng)K系數(shù)。

帶K-13級(jí)變壓器（和大尺寸中性線）的配電單元(PDU)可以有效地處理諧波電力。帶K20級(jí)變壓器的配電單元很常見，但對(duì)于多數(shù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心來說過大。

使用諧波減緩式變壓器

K級(jí)干式變壓器在電氣環(huán)境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設(shè)計(jì)中的最新進(jìn)步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。

諧波減緩式變壓器(HMT)用于處理電氣系統(tǒng)的非線性負(fù)載。該變壓器利用電磁減輕技術(shù)專門處理三倍序號(hào)(第3、9、15…..)諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環(huán)流。該變壓器也通過使用相轉(zhuǎn)移處理第5和第7諧波。

利用這兩種電磁技術(shù)，HMT允許負(fù)載按照其廠家設(shè)計(jì)的方式工作，同時(shí)將諧波對(duì)能耗和失真的影響降至最低。多數(shù)HMT超過了NEMA TP-1效率標(biāo)準(zhǔn)，即使在使用100%非線性負(fù)載進(jìn)行檢測時(shí)。只要規(guī)定了K級(jí)變壓器，等效HMT就可以作為直接代用品。

使用HMT的主要優(yōu)點(diǎn)

? 防止非線性負(fù)載造成的電壓平頂

? 減小上游諧波電流

? 消除變壓器過熱和工作溫度過高

? 消除一次繞組環(huán)流

? 通過減少諧波損耗達(dá)到節(jié)能

? 維持高能效，即使在非線性負(fù)載較為嚴(yán)重的情況下

? 處理K級(jí)變壓器不能解決的電力質(zhì)量諧波問題

? 適合K系數(shù)較高的負(fù)載，而不會(huì)增大涌入電流

? 提高功率因數(shù)

其他諧波減輕方法

首次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心時(shí)，HMT是變壓器的首選。然而，如果現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在諧波問題，可使用鋸齒形自動(dòng)變壓器限制三倍序號(hào)諧波及第5、第7諧波的影響。

鋸齒形自動(dòng)變壓器是一種只有一次繞組而沒有二次繞組的中性形成變壓器。每個(gè)鐵芯有兩個(gè)一次繞組，它們按相反方向繞線，對(duì)正常相電流提供了較高的阻抗。

當(dāng)靠近負(fù)載放置時(shí)，鋸齒形自動(dòng)變壓器可以捕獲三倍序號(hào)諧波。這種自動(dòng)變壓器的規(guī)格必須大到足以處理諧波。三倍序號(hào)諧波將僅限于自動(dòng)變壓器和該負(fù)載，從而防止上游配電設(shè)備遇到諧波。然而，自動(dòng)變壓器不能用于把電壓改為與電源(電壓)不同的水平。

可以通過上述自動(dòng)變壓器與一條二次饋線并聯(lián)來消除三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。這條饋線一般由不同電源供電。自動(dòng)變壓器和這條二次相轉(zhuǎn)移電源一起共同捕獲三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。這種應(yīng)用相當(dāng)棘手，因?yàn)檫@兩個(gè)電源都要承載平衡負(fù)載，才能有效捕獲三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。

但這兩種應(yīng)用對(duì)于消除有害諧波十分有效。然而，安裝單臺(tái)諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設(shè)備最具成本效益的方法。

小結(jié)

諧波電流對(duì)配電系統(tǒng)極其饋電的設(shè)施具有重大影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。此外，確定非線性負(fù)載的規(guī)模和位置也是所有維護(hù)、故障排除和修理計(jì)劃的重要組成部分之一。

其他參考資料

[1] 處理配電系統(tǒng)中的諧波，Victor A. Ramos Jr.

[2] Controlled Power公司的應(yīng)用說明

[3] Mirus International諧波和諧波減緩式變壓器

[4] Power System Engineering(公司名)的電力系統(tǒng)諧波介紹

[5] Energy Vortex公司的應(yīng)用說明