浅析谐波治理对提升供电质量效果

邢海波 孙蒙

（上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂 天津 300163）

浅析谐波治理对提升供电质量效果

邢海波 孙蒙

（上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂 天津 300163）

随着社会的发展，人们对电能质量意识不断加强，尤其重视安全用电和节能降耗，由于变频设备、整流设备等的广泛应用，供电变压器及输电线路电压/电流畸变率较高，谐波电流较大，存在一定电能质量方面的隐患，需要进行电网谐波治理。谐波治理在改善电能质量的同时，还具有一定节电降耗的效果，综合效益显著。

谐波；治理；电能；质量

1 电能质量问题及谐波的产生

谐波(harmonics)：频率为电源基波频率（50Hz）整数倍的正弦分量。

对企业而言，影响电能质量的主要问题是无功和谐波。无功问题已普遍得到企业的重视并给予有效解决。

近几年来烟草行业不断技术改造，使企业自动化生产程度明显提高，由于变频调速设备、整流设备等电力电子装置的大量使用，使企业用电系统谐波含量大增，电能质量日趋下降。目前谐波已成为影响企业电能质量的主要原因。

因电能质量问题产生的设备故障率日益增长和配电系统异常等现象，使得解决谐波等电能质量问题，成为烟草企业电能质量改善迫在眉睫的事情。

国家技术监督局在1993年颁布了国家标准GB／T14549－1993《电能质量公用电网谐波》，标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法，为我们进行谐波测试分析及治理提供了依据。

2 谐波的主要危害以及在烟草行业反映

2.1 引起电网谐振，烧毁元器件、损坏设备。如补偿柜中电容爆炸。

2.2 产生附加谐波损耗，降低设备的使用效率。如能耗增大。

2.3 加速设备绝缘老化，降低设备的使用寿命。如设备运行噪音增大、震动加剧、温度上升，设备故障率上升，维护费用增加。

2.4 导致控制装置误动作。如配电系统开关出现非正常跳闸现象。

2.5 使电子信号失真，导致电气测量仪表计量不准确。如谐波可使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。

2.6 对邻近的电子设备和通信系统产生干扰。如已有多家烟厂发生生产线通讯系统中断，生产线瘫痪，中断故障点随机出现，没有规律可循。

2.7 谐波严重到一定程度，可使部分设备无法正常投入。如有烟厂微波除湿杀菌生产线不能正常投入。

3 谐波治理方法

3.1 无源滤波器

对谐波源产生的谐波电流，采用电力滤波装置就近治理的方式，是抑制谐波污染的有效方式。一般采用由电力电容器、电阻器和电抗器组成的无源滤波系统进行滤波。无源滤波器对某一频率的电网谐波呈低阻抗态，通过与电网阻抗形成分流，实现大部分该频率的谐波进入滤波器得以消除。无源滤波器的工作原理如图1所示。

图1 无源滤波器系统工作原理图

无源滤波器因其结构简单、运行可靠、效率高以及投资低等优点，在谐波治理及无功补偿等方面广泛应用。但是，无源滤波器是通过在电网系统中形成并联低阻通路而起到滤波作用，因其滤波特性是由电网系统和滤波器的阻抗比所决定的，故而存在以下缺点∶

3.1.1 谐波治理的局限性，只能消除某些特定的谐波，而对某些频次的谐波会产生放大作用；

3.1.2 滤波器的滤波特性受系统参数影响较大；

3.1.3 滤波需求和无功补偿等要求有时难以兼具；

3.1.4 谐波电流增大时，滤波器负荷相应加重，可能会造成滤波器过载；

3.1.5 滤波器体积较大，消耗材料较多。

3.2 有源滤波器

随着电力电子技术的不断发展，谐波治理的研究逐步由无源滤波转向有源滤波。与无源滤波器相比，有源电力滤波器在可控性和系统响应等方面有显著提高，不仅能补偿各次谐波，还可补偿无功、抑制电网闪变等，兼具多种功效。其特点如下：

3.2.1 滤波性能不受系统阻抗的影响，消除了滤波器与系统阻抗发生谐振的危险；

3.2.2 具有自适应功能，可自动跟踪并补偿变化的谐波。

3.2.3 有源电力滤波器具有体积小、占地少等特点，但系统成本较高。

图2 有源滤波器系统工作原理图

有源电力滤波器的工作原理如上图2所示，有源电力滤波器系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成。系统通过检测被补偿对象的谐波电流瞬时值，经指令电流运算得出谐波补偿电流的指令信号，再经控制变流器产生谐波补偿电流，经与负载电流中需补偿的谐波电流分量相抵消，获得所期望的电网电流。谐波补偿的等效电路如图3所示：

图3 有源滤波器谐波补偿等效电路图

由图3可知，电网谐波电流存在以下关系：

通过控制有源电力滤波器的输出电流Ich，使其满足Ih=ILh，电网侧的谐波电流即可消除，使得Ish=0。

4 谐波治理措施

4.1 工作方式

根据谐波源的具体情况可以选择总补偿、局部补偿及就地补偿等补偿方式。

有源电力滤波器以并联的方式接入，如下图所示：（总补偿方式）

图4 有源滤波器并联接入方式

4.2 谐波治理的效果

电压等级不同，公用电网的电压谐波限值也不相同。电压等级越高，电压谐波限制越严。表1给出了0.38kV公用电网谐波电压（相电压）限值，表2给出了0.38kV公用电网谐波电流限值。

表1 公用电网谐波电压限值

表2 公用电网谐波电流限值

下面举例说明有源电力滤波器在烟草企业的谐波治理效果：

例：某烟厂除尘设备谐波就地补偿治理前后的实际测量数据如下图，滤波器型号为150A三相三线有源电力滤波器。为准确客观反映有源电力滤波器的谐波治理效果，测试数据为滤波器投入前与投入后，相同工况、相同测试方式下测得，考虑到设备三相负荷基本平衡，这里仅选A相数据进行分析。

图5 补偿前后A相电流谐波分布图

图6 补偿前后A相电压电流波形图

从以上谐波治理前后实际测试电流图形可以看出：

4.2.1 谐波治理后电能质量得到明显改善：A相电流总畸变率THDi由设备投入前的23%减少到2.3%，电流波形从不规则的m形变为较理想的正弦波，5次、7次等主要谐波分量出现明显降低甚至消除。

4.2.2 滤波器谐波补偿率μ：

式中，IH——治理前总谐波电流，I'H——治理后总谐波电流。

经计算，滤波器谐波补偿率达到91%，滤波效果较为显著。同时电压畸变率也得到了很大程度的降低，达到国标要求。

4.2.3 节电效果显著：A相负载总电流由设备投入前的414A减少到393A，总电流降低5.1%以上。可见，有源电力滤波器在有效治理谐波的同时，还具有一定的节能经济意义。

5 结语

本文介绍了谐波产生的原因及危害，并给出了目前主要采取的谐波治理方式，最后以烟草企业为例探讨与评价了谐波治理的效果，对于烟草企业的谐波治理工作具有一定的参考价值。同时可以看到，谐波治理对于企业电能质量的提升是一项具有长远意义的工作。（1）谐波治理可以提高企业设备的供电质量，增加设备运行的可靠性，降低因设备误动作等造成的经济损失；（2）谐波治理可以降低谐波电流在线路上产生的热损耗，减少用电设备发热量，减缓绝缘的老化，从而可以提高设备的使用寿命，减少设备维修、更换等方面支出；（3）谐波治理会降低企业电网中补偿电容器的谐振机率，减少谐波分量对通讯信号传输的影响，增加系统的可靠性；最后，谐波治理可以净化公用电网的电能环境，并且具有一定的节能经济意义。

[1]李景禄.实用配电网技术[M].北京：中国电力出版社,2009.

[2]林海雪,孙树勤.电力网中的谐波[M].北京∶中国电力出版社.

[3]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京∶中国电力出版社,2004.

[4]GB/T14549-93电能质量公用电网谐波.

[5]王广柱.并联型有源电力滤波器电流控制的等效原理[J].中国电机工程学报,2006,26(15).