諧波的來源與治理方法

1、諧波治理概述電能質(zhì)量的好壞，直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，評價電能質(zhì)量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最后是電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質(zhì)量的三方面都有明確的標準和規(guī)范。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行

2、，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節(jié)能燈后，就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設(shè)備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。電力系統(tǒng)中諧波的來源電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)出的電壓波形不可

3、能是一點不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機，凸極機多用于水輪發(fā)電機。對于諧波分量而言，隱極機優(yōu)于凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)

4、量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：·電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機等。·交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機車、電解、電鍍等。·交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。·開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加

5、熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當時電弧加熱設(shè)備量少，電焊機應(yīng)用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低。交流整流再

6、逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺容量不大，

7、但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網(wǎng)。諧波現(xiàn)狀淺析通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補償就無法進行，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.83.8倍以上，使得電動機、

8、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，多交了電費。目前國內(nèi)對諧波污染的治理諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。1、無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設(shè)定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的LC回路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關(guān)、電容器、電抗器以及保護和控制回路。2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流，這種裝置的主

9、要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。諧波治理的方法目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波和有源濾波。下面就談?wù)勥@二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟效益的分析。1、無源諧波濾除裝置無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設(shè)定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振?，F(xiàn)在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的

10、限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業(yè)主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經(jīng)濟效益也就可觀了。國內(nèi)低壓側(cè)高水平的諧波濾除裝置是采用光纖觸發(fā)系統(tǒng)，大幅度降低因諧波干擾致使電纜觸發(fā)所產(chǎn)生的誤動。2、有源諧波濾除裝置有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起

11、來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復(fù)雜得多，成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。電源質(zhì)量及諧波治理的對比近年來,電力網(wǎng)中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變

12、頻驅(qū)動或晶閘管整流直流驅(qū)動設(shè)備、計算機、諧波治理重要負載所用的不間斷電源(UPS)、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等，這些非線性負載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設(shè)備故障,甚至引發(fā)嚴重火災(zāi)事故等。世界上包括我國的一些建筑物突發(fā)火災(zāi)被證明與電力污染有關(guān)。電力污染與電力系統(tǒng)電力設(shè)備運行中的問題和故障，諧波治理通常都是由于電網(wǎng)電氣參數(shù)波動或瞬間干擾所引起，如：電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數(shù)過低、缺相運行等。長期以來，這些導(dǎo)致設(shè)備運行故障、維修工作量增加及增耗電費的情況受到用戶和供電部門的廣泛關(guān)注。電力污染及電力品質(zhì)惡化主要表現(xiàn)在以下方面：電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡等。電源污染的危

13、害電源污染會對用電設(shè)備造成嚴重危害，主要有：*干擾通訊設(shè)備、計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機。*影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能,造成噪聲干擾和圖像紊亂。*引起電氣自動裝置誤動作，甚至發(fā)生嚴重事故。*使電氣設(shè)備過熱，振動和噪聲加大，加速絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。*造成燈光亮度的波動(閃變)，影響工作效益。*導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率損耗增加。工程案例溫州某10KV電解鋅工廠在未濾波之前，其功率因數(shù)為0.8，而采取普通的無功補償，又無法投入，1030KVA（630KVA+400KVA）的變壓器，直接由10KV變到126V，低壓側(cè)的電流達到14000

14、A，5次諧波電流含量在高壓側(cè)達到21%。在濾除5次諧波后，5次諧波僅剩5%時，功率因數(shù)可以達到0.98。用戶由濾波前的每月罰款800010000元，到每月獎勵1000元左右。這樣算下來，半年左右就可以收回成本，不僅為企業(yè)實現(xiàn)了節(jié)能降耗，也為國家創(chuàng)建綠色電網(wǎng)出了一份力！礦用提升機：提升機作為大功率、頻繁啟動、周期性沖擊負荷以及采用硅整流裝置對電網(wǎng)造成的無功沖擊和高次諧波污染等危害不僅危及電網(wǎng)安全，同時也造成提升機過電流、欠電壓等緊停故障的發(fā)生，影響了礦井生產(chǎn)。因此對提升機供電系統(tǒng)進行無功動態(tài)補償和高次諧波治理，對于提高礦井提升機和電網(wǎng)的安全運行可靠性、提高企業(yè)的經(jīng)濟效益意義巨大提升機單機裝機功率大，在礦井總供電負荷中占的比重較大。伴隨煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大、井筒的加深，要求配套的提升機裝置容量也越來越大，單機容量已達到20003000kW，有的甚至達到5400kW，單斗提升裝載量達34t。這么大的負載啟動將對電網(wǎng)造成很大的沖擊電流，無功電流成分較大，功率因數(shù)較低。所以大功率提升機對供電電網(wǎng)的容量和穩(wěn)定性要求更高。其中大功率提升機主要的