諧波治理的必要性及案例分析

綜上所述，由于諧波對電力系統(tǒng)及用戶的諸多影響與危害，必須采取有效措施來抑制電力系統(tǒng)中的諧波，目前國內(nèi)外主要的治理措施有以下兩種。

3.1 傳統(tǒng)的諧波抑制方法——無源濾波器

電力無源濾波器即在電容器上串聯(lián)電抗器組成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便，除濾波外還兼有無功補(bǔ)償?shù)墓δ埽萘靠稍O(shè)計成很大，與有源濾波器相比，成本較低，現(xiàn)廣泛采用。但是，無源濾波器同時也存在缺點，一方面是無法對動態(tài)變化的諧波有針對性進(jìn)行濾波；另一方面是濾除效果一般，只能達(dá)到50%-60%的程度。

3.2 新型的諧波抑制方法——有源濾波器

有源電力濾波器是一種新型諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置，它不同于傳統(tǒng)的無源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它實質(zhì)上是一種大功率波形發(fā)生器，它把諧波源發(fā)出的諧波經(jīng)過采樣、180°移相后，再完整的復(fù)制出來，并送到諧波源的入網(wǎng)點，復(fù)制的諧波與諧波源產(chǎn)生的諧波幅值相等、方向相反，并跟隨諧波的變化而變化，如此，諧波源產(chǎn)生的諧波就完全被抵消了。有源濾波器按照其接入電網(wǎng)的方式，可分為兩大類，即串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器。近年來為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢，又設(shè)計出串聯(lián)混合型和并聯(lián)混合型有源濾波器。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點，但因為應(yīng)運了大功率電力電子器件，其有功損耗較高，綜合成本比無源濾波器高出很多，故此在大容量的濾波器裝置上目前還未廣泛采用。隨著微電子控制器和電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，有源電力濾波器的性價比會越來越高，而用于LC無源濾波器的電容和電抗的價格卻是呈增長趨勢，因此有源電力濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發(fā)展方向。

4  ANAPF低壓有源濾波器在港口碼頭的應(yīng)用案例

港口行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在帶動了其他行業(yè)發(fā)展進(jìn)步的同時，對電能的需求量也逐漸增大。港口中大量氣體放電類電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈,此類光源的非線性非常嚴(yán)重,有負(fù)的伏安特性。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來國內(nèi)港口所使用的設(shè)備普遍采用晶閘管供電的直流系統(tǒng)或交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，且數(shù)量逐年增長。這些電能的變換裝置及其用電設(shè)備屬于非線性負(fù)載，是典型的諧波源。它們在工作時不僅向電力系統(tǒng)吸收大量的沖擊性無功功率，影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，而且還對電網(wǎng)注入大量諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4.1 項目背景 

寶山羅涇碼頭自投入運行以來，港口的裝車吊機(jī)經(jīng)常無故損壞，變頻器經(jīng)常被燒毀，皮帶秤計量似乎也不準(zhǔn)確，已經(jīng)嚴(yán)重地影響了港口的正常運行，帶來嚴(yán)重的負(fù)面經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)查發(fā)現(xiàn)港口配電系統(tǒng)中裝有大量的變頻器，這些變頻器帶動驅(qū)動器從而使裝車吊機(jī)前后移動。變頻器是典型的諧波源，產(chǎn)生大量的諧波，而且此類工程的負(fù)載容量通常都比較大，在交流側(cè)存在著很嚴(yán)重的諧波污染，正是諧波導(dǎo)致了羅涇碼頭的問題。

因為該碼頭裝有大量的裝車吊機(jī)，負(fù)載波動比較大，而諧波量的大小和負(fù)載率有著密切聯(lián)系。在負(fù)載率在一定的范圍內(nèi)變化時，諧波電流有可能極大，在這種情況下系統(tǒng)的電壓會產(chǎn)生很大畸變。這將會嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)，同時還會大大縮短變壓器的使用壽命。此外配電系統(tǒng)中還有皮帶秤和其他負(fù)載，皮帶秤是敏感設(shè)備，變頻器產(chǎn)生的諧波會通過傳導(dǎo)、感應(yīng)等方式對皮帶秤控制系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶秤工作抖動，影響計量準(zhǔn)確度，同時對設(shè)備的壽命、安全運行產(chǎn)生不利的影響,也給港口的經(jīng)濟(jì)效益帶來了影響。

寶山羅涇碼頭變頻供電系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1：變頻供電系統(tǒng)簡圖

寶山羅涇碼頭供電系統(tǒng)中含有大量的變頻器。變頻器是工業(yè)調(diào)整傳動領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備之一。變頻器的主電路一般為交－直－交組成，外部輸入的工頻電源經(jīng)過整流電路變?yōu)橹绷麟娫矗俳?jīng)電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電源。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波。

圖2所示為寶山羅涇碼頭變頻動力系統(tǒng)電壓及電流波形圖，電壓波峰很平畸變較為嚴(yán)重。圖5顯示三相電壓畸變率均超過７%，大于國標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》中所規(guī)定的5%的要求，嚴(yán)重的電壓畸變不但會影響設(shè)備的壽命，而且可能會釀成事故。

 

  

圖2：電壓及電流波形圖

 

圖3：電壓電流及功率數(shù)據(jù)

 圖4：電流及其相關(guān)數(shù)據(jù)

 

 

 圖5：電壓及其相關(guān)數(shù)據(jù)

圖2中的電流波形已經(jīng)基本看不出是正弦波而是較為典型的M波。結(jié)合圖4中電流諧波含量數(shù)據(jù)可分別計算出A相、B相、C相電流值為270A、261.6A、283.6A，同時三相電流的諧波畸變率均超過50%，查閱國標(biāo)GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》，本系統(tǒng)的諧波電流均已超過基準(zhǔn)短路容量所允許的諧波電流限制。綜合電壓及電流數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的電能質(zhì)量很差。

4.2 治理措施及效果

針對碼頭的具體情況，以治理諧波污染為目的。通過有針對性的諧波污染治理，減少甚至消除其對配電系統(tǒng)的不良影響，保證電動機(jī)、變壓器、電纜、其他設(shè)備的正常運行，提高功率因數(shù)，減少無功損耗，延長設(shè)備使用壽命，保障可靠供電。

根據(jù)寶山羅涇碼頭變頻動力系統(tǒng)負(fù)載分配情況，采用集中補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波治理，即分別在兩臺變壓器二次側(cè)，也就是在A段和B段母線處安裝1臺100A ANAPF有源濾波器。

治理后諧波情況明顯改善，電壓諧波畸變率由7%下降到2%，電壓波形如圖6所示，波形幾乎是完美的正弦波。治理后電流波形如圖7所示，電流諧波畸變率從50%降低到5%左右，諧波畸變率大大降低。電壓電流諧波質(zhì)量均已符合GB T14549-1993《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。治理后減少了對皮帶秤中計量和傳感器等敏感器件的擾動，有效解決了皮帶秤的抖動和計量不準(zhǔn)問題。

 

                          圖6：治理后電壓波形                           

 

圖7：治理后電流波形

 

據(jù)反饋，自有源濾波器投運至今，裝車吊機(jī)運行故障率明顯降低，變頻器故障發(fā)生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮帶秤故障由每月1次到不再出現(xiàn)故障。大大提高了裝車吊機(jī)運行的穩(wěn)定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

5 結(jié)語

綜上所述，隨著時代的變化，新事物、新產(chǎn)品不斷推陳出新，加之高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，隨之而來的是用電環(huán)境越來越復(fù)雜。本文僅是在諧波污染方面進(jìn)行了一些淺述，由此可以看出，諧波的治理雖然需要一定的資金投入，但從長期來看，對設(shè)備的保護(hù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的，在用電安全方面的改善所帶來的社會效益也是十分顯著的。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 江蘇安科瑞電器桌子產(chǎn)品手冊.2013.01.版

［2］ 查慧勤 《諧波治理的必要性及案例分析》