文／航天科工集團(tuán)二院706所 楊繼深

1 節(jié)電潛能的分析方法

節(jié)電是目前最熱門的話題。隨著國(guó)家節(jié)能降耗國(guó)策推進(jìn)的深入，一些直接的節(jié)電措施已經(jīng)廣泛實(shí)施，人們開始關(guān)注更深層次的節(jié)電潛能。特別是在能源價(jià)格不斷升高的環(huán)境下，企業(yè)迫切尋找節(jié)電的突破口。諧波治理就往往成為一個(gè)目標(biāo)。

諧波治理的初衷是提高電能質(zhì)量，保證配電系統(tǒng)和用電負(fù)荷的正常運(yùn)行。但是由于人們過度關(guān)注節(jié)電的問題，在討論諧波治理項(xiàng)目時(shí)，往往偏離主題，提出諧波治理項(xiàng)目實(shí)施后，能夠節(jié)省多少電能的問題。加上諧波治理設(shè)備廠家為了銷售產(chǎn)品，故意混淆電能質(zhì)量與節(jié)電的概念，夸大諧波治理在節(jié)電方面的作用，使很多企業(yè)在考慮諧波治理時(shí)，單純關(guān)心節(jié)電效果。

本文討論諧波治理與節(jié)電的關(guān)系，希望能夠指導(dǎo)企業(yè)真正從諧波治理中獲得效益。本節(jié)提供的分析思路不僅適合于諧波治理的節(jié)電分析，也適合于一般的節(jié)電項(xiàng)目效益分析。

1.1 節(jié)電的最大潛能

在論證任何節(jié)電項(xiàng)目時(shí)，都要首先研究節(jié)電的潛能在那里，這種潛能有多大。如果不能搞清楚這種潛能的存在和大小，就不能開展節(jié)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

節(jié)電有兩個(gè)途徑，一個(gè)是減少不必要的電力做功，另一個(gè)是提高電力做功的效率。隨手關(guān)燈就是我們最熟悉的一種節(jié)電方法，這就是通過減少電力做功。

提高電力做功的效率就是降低電力做功過程中造成的損耗。節(jié)能燈就是最典型的一種提高電力效率的方法。過去的白熾燈在發(fā)出光能的同時(shí)，產(chǎn)生了很大的熱能，而熱能并不是我們所需要的。節(jié)能燈產(chǎn)生很少的熱能，而能夠?qū)⒋蟛糠蛛娏D(zhuǎn)換成光能，因此具有更高的效率。

無論是通過哪種途徑節(jié)電，都是通過減少電能的浪費(fèi)來達(dá)到節(jié)電的目的，也就是，只有存在被浪費(fèi)的部分，才能夠有節(jié)省的空間。理解這個(gè)概念很重要，這幫助我們識(shí)別和挖掘存在的節(jié)電潛能，識(shí)破一些不符合實(shí)際的商業(yè)宣傳。

在進(jìn)行節(jié)電項(xiàng)目的論證時(shí)，首先分析哪些電能被浪費(fèi)掉了；這部分電能占總消耗電能的比例（一般用%表示），這部分電能的費(fèi)用就是節(jié)電項(xiàng)目可能獲得的最大收益。例如，如果企業(yè)由于功率過低，每個(gè)月交了1萬元的功率因數(shù)罰款，那么，通過進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，達(dá)到不交罰款的程度，就能夠節(jié)省1萬元的費(fèi)用。

節(jié)電的最大值不會(huì)超過浪費(fèi)的電能。因此，一些公司不負(fù)責(zé)任地宣稱，使用他們的產(chǎn)品節(jié)電X%，是沒有根據(jù)的。記住，一定要分析清楚目前的浪費(fèi)情況，然后再研究如何減少浪費(fèi)。

1.2 電費(fèi)的構(gòu)成

雖然國(guó)家推進(jìn)節(jié)能降耗的目的是為了保護(hù)環(huán)境，但是企業(yè)實(shí)施節(jié)電措施的直接動(dòng)力是降低電費(fèi)支出。因此，可以將節(jié)電的概念縮小到節(jié)省電費(fèi)支出這個(gè)范圍。任何手段，對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)雖然有節(jié)電效果，但是如果不能節(jié)省電費(fèi)支出，在本文的范圍內(nèi)就不能算是節(jié)電。

要討論安裝了某種設(shè)備是否可以節(jié)省電費(fèi)，首先需要了解電力公司是如何收取電費(fèi)的。電力公司向企業(yè)收交的電費(fèi)主要包括三個(gè)部分:基本電費(fèi):按照變壓器的數(shù)量和功率收取，變壓器的功率越大，基本電費(fèi)越高；有功電費(fèi):按照電度表的讀數(shù)收取，讀數(shù)越大，費(fèi)用越高；無功電費(fèi):收取方法不定，普遍采用的是收取功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，功率因數(shù)低于0.9時(shí)收取，有一定的計(jì)算方法。

圖1所示的是一個(gè)企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)。從表中可以看出，雖然電度表上讀數(shù)的費(fèi)用是每度電0.57元，但是實(shí)際的電費(fèi)核算為每度1.48元。要節(jié)省電費(fèi)支出，就要從表中所示的每項(xiàng)入手，研究可行性。目前人們最常用的方法是功率補(bǔ)償，降低功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)用。在圖1中，如果通過因數(shù)補(bǔ)償，達(dá)到電力公司的要求，省掉功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，就節(jié)電了37.52%（6878元）。但是需要注意的是，目前電力公司僅關(guān)注相移功率因數(shù)，而不關(guān)注真功率因數(shù)。相移功率因數(shù)就是由于電壓、電流之間存在相位差（F）而導(dǎo)致的功率因數(shù)，也就是我們常說的COSF。實(shí)際上，諧波電流也會(huì)降低功率因數(shù)。這兩部分功率因數(shù)都考慮的綜合結(jié)果就是真功率因數(shù)。由于目前電力公司收取的功率因數(shù)罰款僅是相移功率因數(shù)部分的罰款，因此治理諧波而提高真功率因數(shù)是收不到功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)減少而獲得的節(jié)電效益的。

圖1 某企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)

1.3 諧波電流造成的電能浪費(fèi)

諧波電流造成的電能浪費(fèi)主要是線路的熱損耗，這部分熱損耗體現(xiàn)在電度表的有功功率中，如果能夠降低諧波電流在線路中的損耗，就能夠減少電度表的讀數(shù)，也就達(dá)到了節(jié)電的目的。

諧波電流在線路上造成的額外熱損耗包括:變壓器的額外損耗，包括鐵心的損耗和繞組導(dǎo)體的損耗；線路的額外損耗，主要是線路電阻的熱損耗；根據(jù)有關(guān)研究，諧波電流使變壓器的損耗增加1%左右，如圖2所示。線路的損耗是本文分析的重點(diǎn)，在以下各節(jié)進(jìn)行分析。另外，諧波電流還會(huì)造成間接的浪費(fèi)，這就是由于變壓器的損耗增加，容量不夠，需要更換容量更大的變壓器，或者增加變壓器的數(shù)量，增加了基本電費(fèi)支出。

圖2 諧波電流增加變壓器的損耗（from Eaton Corpotation）

2 諧波電流在線路上的損耗

2.1 三相三線系統(tǒng)

線路的損耗取決于諧波電流的含量。典型的非線性負(fù)荷，例如變頻器，會(huì)產(chǎn)生5、7、11、13等多次諧波分量，為了討論方便，我們僅將這些諧波分量用一個(gè)諧波成份Ih表示，這不會(huì)對(duì)討論結(jié)果產(chǎn)生大的影響。分析的電路模型如圖3所示，為一個(gè)三相三線系統(tǒng)，每根相線的電阻為R。

圖3 三相三線系統(tǒng)的電路模型

由于單根線路的電阻為R，因此電流回路的電阻為2R。

設(shè)，諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，總電流有效值IT 為:

有諧波電流時(shí)，單個(gè)回路的線路損耗P0為:

三相線路的損耗P1為:

線路的電阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線路的損耗越大。

下面研究諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。

式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線電壓。

將（6）、（7）代入（4），并設(shè)THID = Ih/I，得到諧波電流的損耗為:

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，由于大量應(yīng)用變頻器等非線性設(shè)備，諧波畸變率較大，THID的典型值達(dá)到60%。則諧波電流的損耗為:

諧波電流的損耗在總功率中的比例為:

計(jì)算不同線路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表1所示。

2.2 三相四線系統(tǒng)

圖4 三相四線系統(tǒng)中的諧波損耗

三相四線（或者三相五線）系統(tǒng)中，負(fù)荷大部分是單相整流電路，他們所產(chǎn)生的諧波電流以三次諧波電流為主，三次諧波電流的畸變率往往會(huì)達(dá)到80%以上。較高的諧波電流畸變率決定了諧波電流的損耗也會(huì)更大。更重要的是，三次諧波電流在中性線（零線）上是疊加的，最大能夠達(dá)到相線電流的1.7倍。而基波電流在中性線上是相互抵消的。這決定三次諧波電流造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)。我們用圖4所示的電路模型來進(jìn)行分析。分析中，忽略變壓器的損耗和單相負(fù)載部分的線路損耗，僅考慮公共線路的損耗。也就是圖4中的P1和P2。

在分析中，假設(shè)諧波電流只有3次諧波電流，忽略其他諧波電流。這樣做有兩個(gè)理由，第一，3次諧波電流最大，第二，3次諧波電流具有特殊性，它是零序的電流，在中性線上疊加。

單根線路的電阻為R，3次諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，相線上的總電流有效值IT 為:

單根相線線路上的損耗P0為:

3根相線導(dǎo)體的總損耗P1為:

因?yàn)榛娏髟谥行跃€上抵消，而3次諧波電流在零線上疊加，所以中性線上的損耗P2為:

總的線路損耗為:

諧波電流導(dǎo)致的額外損耗Ph就是12Ih2 R:

線路的電阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線路的損耗越大。下面研究諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。

式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線電壓。

設(shè):△U=XU，X是線路上的電壓降占額定電壓的百分比，并將（14）代入，則有:△U=X P/1.73I （16）

將（15）、（16）代入（13），并設(shè)THID=Ih/I，得到諧波電流的損耗為:

由于大量應(yīng)用信息設(shè)備、節(jié)能燈、LED發(fā)光設(shè)備等，諧波畸變率較大，THID的典型值達(dá)到80%。則諧波電流的損耗為:

諧波電流的損耗在總功率中的比例為:

計(jì)算不同線路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表2所示。

3 諧波治理的節(jié)電效果

3.1 諧波治理節(jié)電的最大值

上節(jié)分析了諧波電流造成的電能浪費(fèi)。根據(jù)“只有被浪費(fèi)掉的電能才能夠被節(jié)省”的基本概念，我們通過諧波治理只能將諧波電流造成損耗的那部分節(jié)省。所以表1和表2就給出了通過諧波治理能夠獲得節(jié)電效果的最大值。任何諧波治理措施都不可能將諧波完全消除，因此，實(shí)際的節(jié)電效果不會(huì)超過表1和表2所示的數(shù)值。

從表1和表2可知，三相四線系統(tǒng)中，通過治理獲得的節(jié)電效果更加明顯。這是主要是因?yàn)槿嗨木€制系統(tǒng)中，三次諧波電流在中性線上疊加，而基波電流在中性線上抵消，導(dǎo)致了諧波電流的損耗在總線路損耗中占的比例較大。

由于表1和表2僅是線路的損耗，沒有考慮變壓器的諧波電流損耗。如果考慮變壓器的損耗，諧波治理的收益還能夠增加1%以下。

3.2 諧波治理的實(shí)際節(jié)電效果

以上的節(jié)電最大值是基于消除線路上的諧波電流損耗。實(shí)際的諧波治理方案并不能達(dá)到這種效果。目前的諧波治理方法主要采用有源濾波器和陷波電路型的無源濾波器。這些濾波器并聯(lián)安裝在線路上，如圖5所示。這些濾波器能夠保證接入點(diǎn)A的上游諧波電流達(dá)到預(yù)定值，而A的下游的諧波電流沒有改善。實(shí)際上，由于濾波器接入后，系統(tǒng)的阻抗降低，A的下游的諧波電流可能還會(huì)增加。目前大部分企業(yè)進(jìn)行諧波治理都是為了滿足電網(wǎng)公司對(duì)于接入點(diǎn)（PCC）的諧波指標(biāo)要求，因此，都會(huì)把諧波濾波裝置安裝在配電系統(tǒng)的最上端，也就是主變壓器的下端。這時(shí)，企業(yè)內(nèi)部的諧波電流不會(huì)有任何改善，甚至?xí)黾?，因此也就無法獲得線路損耗降低的收益。

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要通過諧波治理獲得節(jié)電效果，必須減小諧波電流在線路上的損耗。最理想的方法就是在諧波源負(fù)載處進(jìn)行諧波治理。也就是在每個(gè)諧波源負(fù)荷的電源入線處安裝一臺(tái)諧波濾波器。實(shí)際上，在每個(gè)諧波源負(fù)荷處安裝諧波濾波器，不僅能夠獲得較好的節(jié)電效果，而且能夠保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的質(zhì)量，是最理想的諧波治理方案。但這往往會(huì)增加諧波治理的成本。為了在諧波治理效果與成本之間獲得平衡，可以采用綜合治理的方案。也就是，對(duì)功率較大的非線性負(fù)荷進(jìn)行就地單獨(dú)治理，對(duì)較集中的非線性負(fù)荷，采用分組治理，對(duì)于分散的小功率非線性負(fù)荷，采用集中治理（也就是目前最常見的）。

3.3 三相四線系統(tǒng)的節(jié)電優(yōu)勢(shì)

從表2可知，三相四線系統(tǒng)中，諧波電流造成的線路損耗遠(yuǎn)高于在三相三線系統(tǒng)中。這意味著三相四線系統(tǒng)中，治理諧波具有具有更大的節(jié)電潛能。如果能夠找到一種較低成本的，消除整個(gè)配電系統(tǒng)線路上的諧波電流的方法，具有重要的意義。

中國(guó)航天科工集團(tuán)706所開發(fā)NBF（Neutral Blocking Filter）零線諧波電流阻斷器為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的提供了可能。零線諧波電流阻斷器是一個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)，他在150Hz處具有很高的阻抗，而對(duì)50Hz的基波頻率阻抗很低（一般小于0.05W）。將它串聯(lián)在中性線上，就能夠阻擋三次諧波電流，如圖6所示。由于中性線與相線共同構(gòu)成一個(gè)電流回路，因此，當(dāng)中性線上的諧波電流被阻斷后，相線上也就沒有諧波電流了。

圖5 典型的諧波治理電氣原理圖

圖6 NBF在線路中的連接方法

從圖6可知，NBF消除諧波的效果與普通的有源濾波器或者無源濾波器不同。NBF是能夠?qū)惭b位置下游線路上的諧波電流消除，當(dāng)然，下游沒有諧波電流，上游也就沒有了諧波。因此，如果將NBF安裝在變壓器下端，就能夠消除整個(gè)配電系統(tǒng)線路上的諧波電流。NBF的實(shí)際效果如圖7所示，可知，中性線電流從38A降低到4A。

NBF在消除中性線電流方面效果十分顯著。三次諧波電流導(dǎo)致中性線上的電流過大，不僅消耗額外的電能，而且還會(huì)造成火災(zāi)的隱患，在工程中必須十分重視。

長(zhǎng)春會(huì)展大飯店上安裝了一塊259平方米的顯示屏（圖8），由兩個(gè)配電柜供電。每臺(tái)配電柜的相線電流為250A，中性線電流為450A。在配電柜的中性線上安裝了NBF后，相線電流降低為242A，中型線電流降低為35A。由于條件所限，沒有測(cè)量具體的節(jié)電數(shù)據(jù)，但是可以預(yù)期具有明顯的節(jié)電效果。

4 總結(jié)

企業(yè)關(guān)心的節(jié)電效果是節(jié)省電費(fèi)支出。電費(fèi)支出主要有三部分構(gòu)成，有功電費(fèi)、功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)、基本電費(fèi)。治理諧波電流減小了線路的熱損耗，因此是減小了有功電費(fèi)支出。并非任何諧波治理方法都能夠獲得預(yù)期的節(jié)電效果，只有能夠消除配電線路上的諧波電流的方法才能夠獲得節(jié)電效果。傳統(tǒng)的在變壓器下端母線上安裝有源濾波器或者無源濾波器的方法不能獲得明顯的節(jié)電效果。

在三相四線系統(tǒng)中采用NBF是理想的三次諧波治理方案，根據(jù)配電系統(tǒng)的不同，能夠獲得5～10%的節(jié)電效果。

圖7 NBF零線諧波電流阻斷器的效果

圖8 NBF應(yīng)用實(shí)例