電力系統(tǒng)諧波治理的基本方法分析

隨著科學技術的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節(jié)能燈后，就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比：1要小得多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產(chǎn)生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。

一、電力系統(tǒng)中諧波的來源
　　電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發(fā)電設備和用電設備。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發(fā)電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機，凸極機多用于水輪發(fā)電機。
　　對于諧波分量而言，隱極機優(yōu)于凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10％以上時，由于電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7％以下，所以發(fā)電、變電設備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發(fā)電、變電設備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。
　　為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：
? 電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。
? 交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。
? 交流整流再逆變用電設備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。
? 開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
　　這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：
　　電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，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稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

　　交流整流直流用電設備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零(如圖圖所示)。這類用電設備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低。
　　交流整流再逆變用電設備，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備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

　　雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。
　　開關電源設備目前應用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單臺容量不大，但它是應用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到 10kV電網(wǎng)。

二、諧波治理的基本方法
　目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電設備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應該在非線性用電設備處分散治理。但對于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設備，則只能進行集中治理。

　1、減少非線性用電設備與電源間的電氣距離。也就是減少系統(tǒng)阻抗，換句話說就是提高供電電壓等級。例如，在麗水電業(yè)局的遂昌鋼廠就取得了不錯效果，該鋼廠原是用35kV供電，由兩個110kV變電所各架設一回35kV專線供電，而它的主要用電設備是電弧爐，雖然進行了五次、七次諧波治理，但在110kV的 35kV母線上測得諧波分量仍接近或稍超國家標準。但在麗水局在遂昌新建了一個220kV變電所而且離該鋼廠僅4km左右，用5回35kV專線供電，使 35kV母線的諧波分量控制在國家標準以內(nèi)，此外該廠還使用了較大容量的同步發(fā)電機，使這些非線性負荷的電氣距離大大下降，使該廠生產(chǎn)的諧波對電網(wǎng)的危害性下降，這種方法投資是最大的，往往需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。

　2、諧波的隔離。非線性用電設備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器后，還會影響到上幾級電網(wǎng)。如何把這些非線性用電設備產(chǎn)生的諧波不影響或少影響其他幾級電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個基本方法。這一方法在電網(wǎng)中廣泛采用，發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過Y/△、Y0/△、Y0/Y等接線組別的變壓器，把發(fā)電機產(chǎn)生的三次、九次等零序分量的諧波與上級電網(wǎng)隔離開來，因此在 110kV以上高壓電網(wǎng)上，三、九次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數(shù)配變?yōu)閅/Y0接線，35kV也有少量Y/Y0接線的直配變，因此在 10kV和35kV系統(tǒng)中三、九次諧波分量會比高壓電網(wǎng)大。為了減少低壓對10kV電網(wǎng)的影響，我局現(xiàn)在10kV配電系統(tǒng)中推廣使用了D，yn11接線組別的配電變壓器，有效的減少了三、九次諧波的影響。

　3、安裝濾波器。目前對變電所側和用戶側諧波治理的方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。
　　有源濾波器的基本工作原理是把電源側的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進行補償，這是諧波治理的發(fā)展方向。目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高，而且成本很高，因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應用。隨著科學技術的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技術一定會在諧波治理上占主導地位的。
　　無源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當發(fā)生串聯(lián)諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處，從而使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小，達到對該次諧波治理的目的。串聯(lián)無源濾波器多用于對五、七、十一次諧波治理中，而且往往同時采用兩組以上濾波器，諧振在五、七次，同時起補償電容器組的作用。目前，在電力行業(yè)中，它多用于35kV和110kV變電所的10kV母線上，兩組濾波器中的電容器容量大于變電所無功補償容量，串聯(lián)電感后，諧振在五、七次諧波頻率中，使無源濾波器一物二用，具體計算公式如下：

　　當無源濾波器中，L、C串聯(lián)諧振在n次諧波頻率時， 。
　　電容器和電感在工頻時的參數(shù)：
Xc＝n2XL得，當n＝5時，Xc＝52XL＝25XL
Uc＝1.04U，Qc＝1.04QLC
當n＝7時，Xc＝72XL＝49XL，Uc＝1.02U，Qc＝1.02QLC
　　一般在電容器無串聯(lián)電感時，電網(wǎng)額定電壓為10kV，變壓所母線電壓在10.5kV以上，電容器額定電壓多選用11kV/ 。因此，用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11.5kV/ 或12kV/ ，用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11kV/ 。

　但是由于計算精度和電容器、電感器的制造精度等原因，若按計算結果數(shù)據(jù)來配備，在標準化審查時就通不過，為了保證串聯(lián)濾波器能在五、七次諧波頻率時諧振，我們要求電感有一定的調(diào)節(jié)范圍，從而確保濾波器能正常工作。具體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時，則認為濾波器已調(diào)試成功。

三、諧波治理方法的總結和發(fā)展
　在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存在在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組別進行隔離。而11、13次以上諧波由于其頻率比較高，而且輸電線路有一定電感量，對地又有一定電容量，相間及線間也有一定電容量。因此，高次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時高次諧波在電網(wǎng)中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對象。
　在10kV配電系統(tǒng)中，配變多采用Y/Y0接線，Y0（400V）側由于有非線性用電設備，會產(chǎn)生三、五、七……次諧波，五、七次諧波可以用串聯(lián)LC濾波器進行治理，而對三次諧波往往采用并聯(lián)諧振使三次諧波在主變一次側和二次側之間進線隔離，其原理如下：

　當L、C并聯(lián)諧振在三次諧波頻率時，三次諧波電流流不過主變二次側線圈，從而使主變一次側感應不出三次諧波的電壓分量，同時使中性線三次諧波電流大大下降。
　　a、綜上所述，對于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下四種基本方法：
　　1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波。
　　2、采用L、C串聯(lián)無源濾波器，對五、七次諧波進行治理。
　　例如，麗水局的110kV景寧變電所由于10kV負荷中，中頻爐占有較大比重，從實測數(shù)據(jù)看，主導諧波為5、7，11，13，19，32，33，34， 36，38次。補償電容器的投入后，對低次諧波有放大作用，10kV母線電壓畸變率由6％上升為8.5％，對高次諧波有一定濾波作用，而且電容投入運行后，會使電容器端電壓升高，導致電容器損壞。目前，在一、二段母線上各加一組五次和七次濾波器（容量為200kVAR×18只五次；200kVAR×12只 七次）后，不但使五、七次諧波有明顯壓制，而且提高了功率因素，使供電量增加、線損下降。具體測試數(shù)據(jù)如下：
總諧波 3次諧波 5次諧波 7次諧波 11次諧波
治理前 6.05 0.7 3.75 2.36 1.52
電容器投入 8.02 0.95 5.86 4.78 1.63
治理后 3.78 0.7 1.2 0.4 1.5
　　3、采用L、C并聯(lián)無源濾波器，對三次諧波電流進行阻塞。
　　例如，本市中心醫(yī)院的外科大樓及門診樓引入新的進口設備，由于低壓系統(tǒng)有三次諧波分量，造成新引入的醫(yī)療診斷設備不能正常運作，醫(yī)院采用了L、C并聯(lián)無源濾波器，串接在變壓器中性點上，從而使三次諧波得到壓制，使醫(yī)療診斷設備能夠正常工作。
　　4、加強電網(wǎng)建設，擴大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。
　　b、對于非線性用電設備的諧波治理方法有以下五種方法：
　1、對電弧加熱用電設備，采用多相（六相、十二相等）電弧爐變壓器，從而使低次諧波分量下降，高次諧波分量上升。目前最常用的是Y/Y0、Δ/Y0兩變壓器分別接兩臺相同容量的電弧爐，并使兩爐同步作業(yè)，通過LC串聯(lián)無源濾波裝置進行局部治理，達到用電設備產(chǎn)生的諧波不超標。
　2、對于交流整流直流用電設備采用多相整流。多相整流產(chǎn)生的諧波多為整流相數(shù)±1次，對12相整流設備，諧波分量最大是11次和13次，而對24相整流設備，則是23次和25次。諧波頻率越高，L、C串聯(lián)濾波器的投資越小，諧波在輸電線路中傳輸衰減越快。
　　3、開關電源設備諧波治理。工業(yè)用的典型設備是中頻爐，目前廣泛采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺變壓器初級并聯(lián)，帶兩臺相同容量中頻爐同步運行，以提高整流時產(chǎn)生諧波的次數(shù)，在中頻變換中進行L、C串聯(lián)吸收,以減少中頻諧波反射到電源側，其接線如下圖所示，

　　例如，浙江省青田縣特種鋼廠，引進了美國生產(chǎn)的中頻爐，采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺變壓器分別接中頻爐，使其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的影響明顯降低。
　　4、變頻器的諧波治理。在發(fā)達國家中是變頻器和變頻器諧波治理設備是配套供應的，由于變頻器的設備價格和配套的變頻器諧波治理設備的價格相差不多，我國的好多用戶，往往只安裝變頻器，不安裝配套的諧波治理設備。隨著變頻技術的推廣，會使電網(wǎng)中的諧波影響加劇，因此希望用電管理部門做好用戶工作，做到變頻器與配套的諧波裝置二者同時設計，一起投運。
　　5、用戶側多投一些同步電動機，它一方面可以進行無功補償，減少電壓波動及電壓閃變，另一方面它又能吸收一部分諧波電流，對諧波治理也有很大好處。例如，遂昌鋼廠，在同步電動機全開時，110kV古市變和金溪變35kV母線的電壓，諧波分量基本能在允許范圍內(nèi)，如果同步機停運，則這兩點的電壓諧波分量會超標，因此用戶投入同步機對電網(wǎng)是有利的。
　　單相電焊機它是一個諧波源，在五十年代出現(xiàn)過電動機帶動直流發(fā)電機。直流發(fā)電機提供電焊機電源，這也是一種諧波治理方法。在三十年代，上海的電車、電鍍都是用交流電動機帶動直流發(fā)電機來供電車和電鍍電源。但是在整流技術發(fā)展的今天，我們當然不會使用這一落后的技術手段來治理諧波，而是采用價格低廉的無源濾波器。

　　在供電系統(tǒng)中進行諧波治理有不少困難，非線性負荷不是24小時平穩(wěn)運行的，如電弧爐、中頻爐在出爐時會停運，在熔化和冶煉過程中，出力又有變化，因此諧波是在變化的。所以采用一個或幾個固定的無源濾波器的投切，不可能和非線性負荷變動進行同步，而目前有源濾波器又不可能大力推廣。從技術上說，目前對諧波治理有一定難度，而且雖然串聯(lián)L、C無源濾波器對五、七次諧波起了治理作用，但是對某次諧波在某個條件下會起放大作用，從這一點來看，希望加強用電設備的治理工作。

　　在變電所補償設備中串入一定電感，可以使之成為五、七次諧波治理設備，同時還可以起到補償作用，以達到一物二用。但在設計方面則要請有豐富經(jīng)驗的設計單位設計，在浙江省可以請浙江省電力試驗研究所，他們在五、七次諧波治理中已取得了很好的成果，在他們的指導下，各供電企業(yè)可以自己動手，從小到大做一些諧波治理工作，解決一些諧波污染問題，這對各供電企業(yè)的自身提高是有幫助的。