茅 靖, 方健美

(1.國網(wǎng)寧波慈溪供電公司, 浙江 慈溪 315000;2.浙江東禾工程設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 寧波 315040)

0 引 言

理想的電力系統(tǒng)應(yīng)該具備恒定的頻率和恒定的正弦波形,并按照特定的電壓標(biāo)準(zhǔn)向電網(wǎng)及電力用戶提供相對比較理想的電源。電能質(zhì)量一般由電源的頻率、電源的幅值和電源的波形畸變來體現(xiàn)。

發(fā)電廠調(diào)節(jié)并控制電力系統(tǒng)的振幅和頻率,而非線性負(fù)荷引起波形畸變。電阻、電阻加熱器、磁感應(yīng)、白熾燈等傳統(tǒng)線性負(fù)荷的電流波形為正常的正弦波。家用視聽設(shè)備、電視機(jī)、電氣設(shè)備、焊接設(shè)備、復(fù)印機(jī)、逆變器、中頻電爐、超聲波裝置、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、變頻器、冷軋鋼機(jī)、充電電氣設(shè)備、變頻空調(diào)、電動(dòng)機(jī)、熒光燈、不間斷電源等非線性負(fù)荷的電流波形為非正常的正弦波。電網(wǎng)及電力用戶中存在這些非線性負(fù)荷,導(dǎo)致大量諧波的產(chǎn)生,而大量諧波的產(chǎn)生不僅危害電能質(zhì)量,而且危害電力用戶。諧波使得電網(wǎng)電壓降低,線路損耗增加,造成電網(wǎng)容量的浪費(fèi);設(shè)備的穩(wěn)定性降低,各類自動(dòng)及保護(hù)裝置誤動(dòng)作;電動(dòng)機(jī)效率降低,增大電動(dòng)機(jī)的工作噪聲;電力變壓器的鐵損及銅損增加,影響電力變壓器的使用效率,縮短電力變壓器的使用壽命。因此,諧波的治理刻不容緩。

1 諧波表示方法

諧波失真研究可以通過傅里葉分解的方法分析各組成部分的畸變波形,即:

(1)

式中:A0——直流分量;

A1sin(hω0t+φ1)——基波分量;

Ahsin(hω0t+φh)——第h次諧波分量。

諧波畸變的度量采用總諧波畸變表示,分為電壓畸變率和電流畸變率。

電壓畸變率為

(2)

式中:Uh——第h次電壓諧波有效值。

電流畸變率為

(3)

式中:Ih——第h次電流諧波有效值。

單次諧波畸變采用單次諧波含有率表示。單次電壓含有率為

(4)

單次電流含有率為

(5)

2 產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備

許多電氣設(shè)備具有明顯的非線性特性,工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓,當(dāng)此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值,則危害電力用戶和電網(wǎng)。

(1) 空調(diào)機(jī)電氣設(shè)備?？照{(diào)機(jī)電氣設(shè)備功率較大,每臺(tái)功率在500 W以上。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,空調(diào)機(jī)諧波電流的大小隨著工作狀態(tài)的變化而變化,制熱狀態(tài)下,電流畸變率在22%～34%區(qū)間;制冷狀態(tài)下,電流畸變率在20%～27%區(qū)間;只開風(fēng)扇未制熱制冷狀態(tài)下,電流畸變率在6%～9%區(qū)間,以2～17次諧波為主。可見,無論是制熱還是制冷工作狀態(tài)下,電流畸變率都不是很小,甚至有可能較大。

(2) 電池充電器等電氣設(shè)備。用于各種對充電電池充電的裝置均可稱之為電池充電器,此類電氣設(shè)備的諧波含有率取決于電池的數(shù)量和容量。隨著全球氣候變暖、資源枯竭以及國家節(jié)能減排的優(yōu)惠政策的驅(qū)動(dòng)下,屬于新能源行列的電動(dòng)汽車在未來將會(huì)被廣泛的應(yīng)用,因此未來可能成為主要的產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓的家用電器之一。因充電器的連接與單相共整流電路相同,通過對電流的分解即可獲得高次、奇次以及各次諧波電流。作為電源系統(tǒng)的負(fù)荷之一,變壓器的勵(lì)磁電流也應(yīng)考慮。充電器在負(fù)荷電流中勵(lì)磁電流的比例遠(yuǎn)大于電力變壓器,因此充電器等電氣設(shè)備的諧波危害亦不容忽視。

(3) 計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備。一般計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備諧波電流、電壓及用電負(fù)荷的非線性用電主要來自顯示器。由于家用計(jì)算機(jī)和商場計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及以及計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備的諧波含有率相對比較高,電視機(jī)的諧波電流和計(jì)算機(jī)的諧波電流相位重合的可能性大大增加,導(dǎo)致計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波效應(yīng)迅速增加,因此計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波危害顯而易見。

(4) 穩(wěn)壓泵、消防水泵、消防電梯、不間斷電源、生活水泵等電氣設(shè)備諧波主要為5、7、9次諧波,5次諧波比重較大。

(5) 電視機(jī)。同相電壓向多臺(tái)電視機(jī)供電(具有相同的諧波相位),當(dāng)同時(shí)使用率相對較高時(shí),配電網(wǎng)諧波也相應(yīng)增加,尤其是9次、7次、5次和3次諧波最嚴(yán)重。

(6) 熒光燈。不同的熒光燈諧波電流含有率存在較大差異,因不同的熒光燈采用的整流器也不同,而諧波電流很大一部分由熒光燈整流器產(chǎn)生。以往普通的長管熒光燈為主要的照明燈具,但現(xiàn)在照明燈具越來越多樣性,多采用緊湊型燈具,在滿足人們需求的同時(shí)造成諧波污染的多樣性。其中電子鎮(zhèn)流器脈沖型各奇次含有率達(dá)15%～18%,特別是3次諧波高達(dá)70%～80%,3次諧波含有率較高的繞線式鎮(zhèn)流器,一般可達(dá)8%～10%。諧波次數(shù)越高,含有率則越低;高頻時(shí)各次諧波含有率相對較低,一般可達(dá)3%～15%。

3 諧波對電力系統(tǒng)的危害

諧波對電力系統(tǒng)的危害比較嚴(yán)重,主要體現(xiàn)在如下方面。

(1) 部分供電線路的損耗由諧波引起。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),線路電阻隨頻率增加而提高,造成電能的損失和浪費(fèi);諧波電流可能造成線路過載過熱,損害導(dǎo)體絕緣,同時(shí)高頻諧波可能造成集膚效應(yīng),降低電纜的載流能力。

(2) 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波電流的存在導(dǎo)致電力變壓器產(chǎn)生附加的損耗,引起過載、過熱,加速絕緣介質(zhì)的老化,導(dǎo)致絕緣損壞。正序、負(fù)序諧波電流在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子中分別形成正向、反向旋轉(zhuǎn)磁場,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低,發(fā)熱增加。而正序、負(fù)序諧波電流在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中分別形成正向、反向旋轉(zhuǎn)磁場,造成局部發(fā)熱,縮短其使用壽命。

(3) 諧波電流會(huì)使電子電氣設(shè)備出現(xiàn)較大的誤差,甚至引起電子電氣設(shè)備的失靈。諧波電流及諧波電壓一般通過磁感應(yīng)、電容耦合、電感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)等方式影響通訊及通信設(shè)備,尤其對低頻信號影響更大。如變流器等電氣設(shè)備在換相時(shí)注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率,甚至可以達(dá)到1 MHz,這些諧波頻率影響通信設(shè)備、通信線路的正常工作,導(dǎo)致通信系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。

(4) 諧波電流使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。對諧波頻率比較敏感的電力電容器因自身容性阻抗特性,以及頻率與容抗成反比的特性,使得諧波電流容易被電力電容器吸收,從而引起電容器發(fā)熱過載。此外,基波電壓與諧波電壓疊加時(shí)使電壓波形增多起伏,傾向于增多每個(gè)周期中局部放電的次數(shù),相應(yīng)地增加每個(gè)周期中局部放電次數(shù)的功率,使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。

4 諧波限值

針對目前電網(wǎng)受諧波的影響,國內(nèi)和國外已公布相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及制定相應(yīng)的措施,達(dá)到限制電力諧波的目的,防止其對電力用戶和電網(wǎng)造成危害。例如GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》、IEEE 519—1992、GB/T 24337—2009、IEC 61000-3-4:1998、IEC 61000-3-2:2014、GB/Z 17625.6—2003、GB/Z 17625.1—2003等相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1-5]。所有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都基于以下目標(biāo):

(1)對其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾,使其在正常的狀態(tài)下工作。

(2)根據(jù)用戶需求的電壓波形向用戶供電,使其滿足用戶的需要。

(3)根據(jù)系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平,將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制在一定的范圍內(nèi)。

公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值如表2所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值(GB/T 14549—1993)

5 治理諧波的措施

(1) 當(dāng)諧波電壓超過連接點(diǎn)處的限值,諧波源的自然功率因數(shù)較高(如核磁共振機(jī)、變頻調(diào)速器等電氣設(shè)備),非線性負(fù)荷的諧波電流較大,諧波波頻較寬(如大功率電氣設(shè)備)時(shí),諧波按下列原則進(jìn)行治理[6-9]:

① 采用專用配電回路或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姟?/p>

② 當(dāng)非線性負(fù)荷容量占配電變壓器容量的比例較大,設(shè)備的自然功率因數(shù)較高時(shí),應(yīng)在變壓器低壓配電母線側(cè)集中裝設(shè)有源電力濾波器。

③ 當(dāng)配電變壓器僅為少數(shù)重要的非線性設(shè)備提供電源時(shí),宜采取就地裝設(shè)有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設(shè)備對每臺(tái)產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備進(jìn)行抑制及治理。

(2) 選擇合理的供電和配電系統(tǒng)應(yīng)按照以下原則進(jìn)行配置:將線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷的供電電源進(jìn)行有效地隔離;盡可能將非線性負(fù)荷設(shè)置在電源端;由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電[10-11]。

表2 注入公共鏈接點(diǎn)的諧波電流允許值(GB/T 14549—1993)

① 對于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設(shè)備(醫(yī)療建筑中的核磁共振機(jī)、CT機(jī)、X光機(jī)加速器治療機(jī)、整流裝置、變頻、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等諧波源),應(yīng)采用專路供電。

② 合理配置諧波源,同一段母線上宜接具備互補(bǔ)功能的諧波源設(shè)備,達(dá)到互相抵消諧波的目的。

③ 將單相負(fù)荷、兩相負(fù)荷等不對稱負(fù)荷分散接到不同的供電點(diǎn)上或均勻合理地分配到各相,改善三相不平衡度,達(dá)到抑制和治理諧波的目的。三相不平衡引起電壓不平衡,而不平衡的電壓將導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流(非特征諧波)。因此,三相平衡具有一定的抑制諧波作用。Dyn11型接線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性,在進(jìn)行電力變壓器選擇時(shí)Dyn11可作為首選。

(3) 對于容量較大、頻譜特性復(fù)雜、自然功率因數(shù)較低、負(fù)荷比較穩(wěn)定以及諧波含量高(3、5、7次諧波)的諧波源,抑制此類諧波源可采用有源與無源電力濾波器共同來完成。無源電力濾波器是由濾波電容器、電阻器和電抗器組成,包括3種基本形式:并聯(lián)濾波,串聯(lián)濾波,低通濾波。并聯(lián)濾波與諧波源并聯(lián),不但具有濾波作用,而且還有無功補(bǔ)償作用;串聯(lián)濾波主要適用于3次諧波的治理;低通濾波主要適用于高次諧波的治理。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響,只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使無源電力濾波器過載,甚至燒毀。有源電力濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響,無諧波放大的危險(xiǎn)。

(4) 電力系統(tǒng)的諧波干擾包括系統(tǒng)外部諧波干擾和系統(tǒng)內(nèi)部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統(tǒng)外部的,應(yīng)盡可能避免串聯(lián)諧振的發(fā)生;以5次、7次為主的諧波干擾,應(yīng)避免串聯(lián)諧振發(fā)生;諧波干擾屬于電力系統(tǒng)內(nèi)部的,應(yīng)以抑制和濾除為主。

(5) 為抑制及治理諧波源,在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用無功功率補(bǔ)償電力電容器組串聯(lián)電力電抗器的方案,電力系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波的頻率高于LC串聯(lián)支路的諧振頻率,有效避免系統(tǒng)諧波放大效應(yīng)。

依據(jù)GB 50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,串聯(lián)電力電抗器的電抗率應(yīng)根據(jù)電容參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)經(jīng)相關(guān)計(jì)算分析來綜合考慮確定,串聯(lián)電力電抗器的電抗率取值范圍應(yīng)滿足下列要求:用于限制諧波時(shí),電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電力電容器電氣設(shè)備接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測量值進(jìn)行選擇。當(dāng)諧波為3次及以上時(shí),電抗率取值應(yīng)在12.0%左右,也可采取4.5%～5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式;當(dāng)諧波為5次及以上時(shí),電抗率取值應(yīng)在4.5%～5.0%區(qū)間;僅用于抑制涌流時(shí),電抗率取值應(yīng)在0.1%～1.0%區(qū)間。

(6) 諧波隔離抑制裝置應(yīng)裝設(shè)在用電設(shè)備前。配電線路上的變頻設(shè)備應(yīng)靠近被控設(shè)備安裝。敏感信息技術(shù)電氣設(shè)備不適合置于干擾源附近,如不間斷電源、家用視聽設(shè)備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等。

6 諧波抑制及治理的容量設(shè)計(jì)

6.1 諧波電流的估算

諧波電流的計(jì)算與測量相對比較復(fù)雜,數(shù)據(jù)的收集相對比較困難。諧波電流的近似估計(jì)可采用下列公式:

式中:K1——配電變壓器的負(fù)荷率,常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)一般取0.7～0.8;

THDi——電流總諧波畸變率;

Sr——變壓器額定容量;

Us——為變壓器低壓側(cè)額定電壓。

電流總諧波畸變率如表3所示。

表3 電流總諧波畸變率

6.2 諧波補(bǔ)償裝置的容量估算和選型

可根據(jù)估算的諧波電流值進(jìn)行設(shè)備選型,也可根據(jù)公共聯(lián)接點(diǎn)(PPC)或內(nèi)部聯(lián)接點(diǎn)(IPC)對諧波的要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的選型。

(1) 采用無源濾波電氣裝置時(shí),可按每千乏(kvar)無功容量折算成電流后按0.2～0.3的系數(shù)來計(jì)算諧波抑制電流(當(dāng)非線性負(fù)荷較多時(shí),取0.25)。如200 kvar的無功容量其消諧式無功補(bǔ)償電流約為288 A,此時(shí)按系數(shù)0.25折算,可抑制72 A的諧波電流。

(2) 依據(jù)諧波電流估算值來進(jìn)行設(shè)計(jì)選型有源濾波電氣裝置。

(3) 計(jì)算舉例如下:當(dāng)選擇配電變壓器容量為1 600 kVA,電流總諧波畸變率取值為25%,配電變壓器的負(fù)荷率取值為0.8,配電變壓器變比為10/0.4 kV時(shí),根據(jù)上述公式可得出諧波電流值為448 A。消諧式無功補(bǔ)償容量可根據(jù)配電變壓器容量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)消諧式無功補(bǔ)償裝置的無功補(bǔ)償容量取500 kvar時(shí),其補(bǔ)償電流為720 A,抑制的諧波電流按系數(shù)0.3折算(即216 A)。消諧式無功補(bǔ)償只能在一定范圍內(nèi)抑制部分諧波。要達(dá)到系統(tǒng)允許的諧波標(biāo)準(zhǔn)要求,單選用消諧式無功補(bǔ)償裝置是不夠的,需要三相有源濾波器的配合?？紤]部分諧波電流已被消諧式無功補(bǔ)償裝置濾除,根據(jù)計(jì)算,系統(tǒng)還未被濾除的諧波電流為232 A。因此,選用的三相有源濾波器容量為200～300 A即可抑制諧波。

(4) 無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但濾波性能不佳,而有源濾波器正好相反。因此,可采用無源濾波器與有源濾波器配合來完成諧波的治理。采用并聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)無源濾波器模式可以有效地進(jìn)行諧波治理,其中無源濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器,也可以只包括高通濾波器(無源濾波器補(bǔ)償吸收比較固定的無功功率和頻率較高的諧波成分,而有源濾波器補(bǔ)償較快的沖擊性無功功率和頻率較低的諧波成分)。這種模式下,有源濾波器仍起諧波補(bǔ)償?shù)淖饔?無源濾波器濾除大部分諧波,因此有源濾波器容量很小。

7 結(jié) 語

諧波的治理是長期的過程,只有嚴(yán)格按照國內(nèi)和國際公布的相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,才能有效地減少諧波帶來的危害。特別是在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取有效的設(shè)計(jì)方法,配置合理的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償設(shè)備,積極主動(dòng)進(jìn)行諧波治理,才能既減少電能損耗,又能保證電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1]電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波:GB/T14549—1993[S].

[2]低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置:GB/T15576—2008[S].

[3]并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50227—2008[S].

[4]供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50052—2009[S].

[5]建筑物供配電系統(tǒng)諧波抑制設(shè)計(jì)規(guī)程:DBJ/T11-626—2007[S].

[6]張楊俊,王大偉,閆民華.電力系統(tǒng)諧波的危害及其抑制措施[J].電源世界,2011(1):36-38.

[7]熊杰鋒,李群.電力系統(tǒng)諧波和間諧波檢測方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(11):125-133.

[8]辛衛(wèi)東,孫國歧,梁慧媛,等.基于10kV配網(wǎng)節(jié)能降損與提高電能質(zhì)量的STATCOM裝置的研究與應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2016,17(1):145-150.

[9]于海,謝冬陽,王厚軍.基于APF電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的研究[J].電氣技術(shù),2016,17(2):114-116.

[10]秦顯慧,周波,黃海濤,等.不對稱調(diào)制下雙級矩陣變換器的諧波分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(2):102-111.

[11]許勝,費(fèi)樹岷,趙劍鋒,等.多模塊APF并聯(lián)系統(tǒng)高頻諧波環(huán)流分析與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(5):60-68.