基于谐波治理的应用与分析

中国石油化工股份有限公司天然气分公司 孟昭宇

1 引言

假如电气设备的使用是企业生产的基石，设备的安全平稳运行是企业可持续生产的重要因素，而系统有源滤波装置就是所有用电设备的净化系统，可以为配电系统输入洁净的电能，防止由于谐波[1]原因对所使用的电气设备导致的不可逆转的损伤。可以降低用电生产成本，提高了电能利用率，从而节省了能源和减少了排放。

2 电能质量问题带来的危害

本次设备改造的目的是消除唐官屯分输站新增300kW 电加热器在不同工况条件下带来的谐波隐患、功率因数低以及三相不平衡的问题[2]，减少变压器的线损、铜耗、铁损等电能损耗，确保低压配电系统的安全运行[3]。

当网络公共点的最小短路容量与表格参考短路容量不同时，表格的谐波电流公差值根据公式修改：

式中：Sk1为公共连接的最低容量（MVA）；Sk2为基准短路容量（MVA）；Ihp 为表2中h 次谐波电流允许值（A）；Ih 为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允值（A）。

通过测定信息，该配电网络低压侧存在三相电流轻微的不平衡、谐波分量超出国标允许值、功率因数不合格等情况。

2.1 谐波电流的危害

谐波[4]的定义及产生：在电力系统中除基波（50Hz/60Hz）外，任一周期性之讯号，称之为谐波。电网中有一些特殊的用电设备，如大功率整流器、中频炉、变频器、劣质节能灯等，这类设备的工作电流与电压[5]不成正比，称之为非线性的负载。

谐波产生的主要原因：正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

谐波的危害：增加线路损失，电缆发热，隔离效果低下，减弱供电效率，产生网络共振；无功补偿装置中的电容器快速高热，加速老化，甚至损坏击穿；影响电设备的常规运行、平均寿命和稳定性；会出现保护系统和自动化设备运行失灵，造成区域故障、各用电负载的进一步加剧损失和损坏；对通信控制系统、电梯、显示装置等产生电磁干扰，导致控制系统故障或损坏；零序谐波会使中性线电流过高，导致发热，甚至火灾。

2.2 天然气分输站应用测试数据

测量数据见表1，通过测量数据显示，测试周期内谐波电压畸变率随着电加热器功率的提高而变大，主导谐波电流为5th、7th、11th 和13th，测试点功率因数随着电热器的启动迅速下降。

表1 测量数据

3 解决方案

根据检测数据分析，测试点电能质量问题在谐波含量较大和功率因数较低。需配置专用有源滤波器对谐波环境下的电力电容器进行治理，以满足GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波国家标准。

用于滤波的容量计算：测试期间检测到的最大基波电流340A，此时的谐波电流总畸变率38%。

将功率因数从0.74补偿到0.95。

根据公式：

式中：P为低压系统有功功率，φ1为自然功率因数角，φ2为补偿后的功率因数角，无功功率补偿如图1所示。

图1 无功功率补偿

鉴于测试时系统负载量不同，而且按照设备大容量启动及无功功率补偿等需要，滤波器选型需要留有一定裕量，最终配置为200A的有源滤波器和100kVar 的无功补偿。

治理后测试数据详见表2。

表2 治理后测试数据表

一是根据治理后测试的数据分析，电加热器启动后，主导谐波电流5th、7th、11th、13th 大幅度降低。二是根据治理后电加热器启动电压电流波形图中显示的数据，电流波形畸变改善明显。三是根据三相功率因数cosø 变化时域图中显示的数据，测试点功率因数随着电加热器的启动迅速下降，电容投入后三相功率因数cosφ提升到0.93左右。

测试点经过APF 谐波治理后谐波含量大幅度降低（由原来的120A 左右谐波电流降低为30A 左右），主要谐波频次，5次、7次、11次、13次谐波含量明显降低，已降至国标要求内。功率因数提升明显（提升到0.93左右），治理后用电系统检测数据满足GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波国家标准。

4 项目经济效益估算

4.1 损耗效益估算

降低电路和变压器的能量消耗。在全国范围内，线路损失非常高，主要是由于无功功率的损失，如果将其从30%减少到50%，将在一年内节省大量能源。不需要一次能源的损耗就可以提高电力效率，这是一个较好的绿色项目。

根据线损计算公式：

安装低压电力有源滤波装置后，（以电加热器50%功率）运行为例，原始功率因数为0.74，通过达到0.95的补偿，平均减少了约100kVar 线路的功率损失（谐波电流等于无功电流计算），并减少了因无功电流造成的线路损失39.3%。

投资不增加且实现扩容。无功补偿可提高电荷容量并使变压器满载运行。根据无功功率对变压器容量影响计算公式：

ΔP=（cosφ2-cosφ1 ）×S （4）

安装混合式智能电能质量综合治理装置后，（以电加热器50%功率）运行为例，线路功率因数由平均值0. 74提高到0.95以上，变压器和线路的有功功率传输容量可提高21%。

4.2 经济效益估算

在50%的电热设备中，经济效益估计：变压器的原始功率系数目前为0.74，相位电流A332.79A，相位B343.21A，相位C339.88A，谐波总含量为38%。

用于无功补偿的容量计算：为补偿0.74至0.95的功率因数。所需无功功率，根据计算式（2）当前补偿将功率因数提高到0.95以上。无功补偿容量如图2所示。

图2 无功补偿容量

图中：P 为系统的有功功率（kW）；Q 为系统的无功功率（kVar）；S 为系统的视在功率（kVA）；cosφ为系统的功率因数。其中：S2=P2+Q2，cosφ=PS，因此：Qc1≈100kVar。

用于滤波的容量计算。测试期间检测到的最大基流为340A，谐波电流变形率为38%。

Ih=340A×38%≈129（A）

有源滤波装置滤波输出容量为：

Qc2=129A×400V×1.732≈89kVar

混合式配网节能综合治理装置输出容量为：

Q= Qc1+ Qc2=100+89=189kVar

按《三相异步电动机经济运行》GB/T 12497-2006中无功经济当量的计算方法：

式中：ΔF为节省的电费支出；QC为无功补偿容量；β为有功电单价；Cb为无功功率的经济当量；T 是补偿装置的工作时间；tanδ为补偿设备的损失。

如公式所示，假设：

QC= 189kVar；Cb= 0.09kW/kVar；tanδ=0.03kW/kVar；β=0.8元/kWh；

ΔF=（0.09kW/kVar-0.03kW/kVar）×189kVar×24h×365d×0.8元/kWh ＝79470元/年，则年节约电量99338.4kWh，年节省79470元（电0.8元/kWh 计算）不包括减低电路损失部分。

4.3 安全效益

低压电力有源过滤装置具有各种保护机构，通过加装相关的芯片可达到短信告知功能，及时发现故障安全解决隐患。对于企业，安全也是生产建设的生产力，安全投资必然会有安全的产出，这是最基本的经济规则。生产安全管理是企业重要的组成部分，是赖以发展的主体，是生存与发展的基石，特别是企业规划和生产直接相关的重点和危险地区。

电力供应系统的有效运行对设施、设备的安全尤为重要。公司的发展要重视安全生产。改善企业供电系统的电力质量和防止因电力质量问题造成的事故，会使企业在平稳安全运行中受益，其经济效益是无法估量的。