工業企業電網諧波治理方法探究

藍天翔 董文恩

（溫州能源監察支隊，浙江 溫州 325000）

1 諧波的概念

供電系統的定義是對周期性非正弦波電量進行傅里葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。 諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數。由于比值的不同，一般情況下，我們把諧波分為奇次諧波和偶次諧波，奇次諧波指的是諧波頻率與基波頻率的倍數為3、5、7、9 等奇數， 偶次諧波則是指諧波頻率與基波頻率的倍數為為2、4、6、8 等偶數。偶次諧波由于三相系統的對稱關系，會被消除掉，而奇次諧波對電網的危害則大于偶次諧波，所以奇次諧波也是諧波治理的關鍵對象。

2 主要諧波源

在日常的檢測工作中發現工業企業諧波產生量較大的企業有以下幾個類型：

2.1 冶金行業

冶金行業由于大量使用中頻感應爐、電弧爐、直流軋鋼等設備，所以成為受諧波危害的重災區。

目前溫州地區的中頻煉鋼爐較多， 中頻爐的容量從0.4 噸到10噸，而且大部分中頻爐在0.4 噸到1.5 噸的規模。經筆者單位的檢測數據顯示，龍灣地區有300 多臺、樂清、瑞安、永嘉有100 多臺。這些中頻感應爐主要產生5、7 次諧波， 經估算諧波含量占總電流22%~25%左右，這些中頻爐往往分布在經濟欠發達地區，這些地區電網系統比較薄弱，供電容量低，影響尤其明顯。

電弧爐產生的諧波主要為2~7 次諧波，電弧爐的容量大，對電網的無功沖擊大，負荷變化也非常快，往往給電網造成電壓波動大和閃變，嚴重影響電網的安全運行。

直流軋鋼時，會產生大量的5、7 次諧波污染，而且目前大部分軋機的功率因素很低，一般不到0.6。 但由于受到諧波的影響，電容器的效率大打折扣，導致企業內的無功補償柜的補償效果達不到電力部門功率因素的要求。

2.2 化工整流行業

化工企業的大量設備都需要直流供電，所以存在大量的交流轉化為直流的整流設備。 整流設備會產生5、7 次諧波，同時還存在功率因素過低的現象。

2.3 變頻器使用過多的企業

由于目前的變頻器通常使用直接和間接兩種變頻方式，兩種變頻方式都運用了大量的非線性電子部件。電子部件的脈動電流形成的電壓與電網的電壓結合會產生諧波污染，經檢測，變頻器產生的諧波主要為三次諧波，當三次諧波使中線電流大于相電流的時候，會造成中線電纜發熱損耗，并帶來安全隱患。

3 諧波的治理

諧波對電網和電氣設備都有很大的危害，諧波的治理對于優化用電質量、改善用電環境都有很重要的意義。諧波治理要根據不同行業、不同特點所存在的諧波源使用不同的諧波治理的方法。目前主流的諧波治理的方法有以下幾種方式：

3.1 變壓器采用△/Y 或Y/△接法

當變壓器的繞組按成△/Y 時， 一次側勵磁電流的三次諧波分量可以通過，主磁通可保持為正弦波而沒有三次諧波分量。 當變壓器的繞組接成Y/△時，一次側勵磁電流中的三次諧波雖然不能通過，在主磁通中產生三次諧波分量，但因二次側為△接法，三次諧波電動勢將在△中產生三次諧波環流， 一次沒有相應的三次諧波電流與之平衡，故此環流就成為勵磁性質的電流。此時變壓器的主磁通將由一次側正弦波的勵磁電流和二次側的環流共同勵磁， 其效果與△/Y 接法時完全一樣，因此，主磁通亦為正弦波面沒有三次諧波分量，這樣三相變壓器采用△/Y 或Y/△接法后就不會產生因三次諧波渦流而引起的局部發熱現象。

這種方法是最基本的諧波治理方法，但這種方法只能控制企業內部的3n（n=1、2、3……）次諧波不污染高壓電網，并不能有效控制企業內部用電的諧波含量。

3.2 提高整流設備的相數

如上文所述，化工行業、直流軋鋼行業整流設備很多，而整流設備是產生高次諧波的主要設備，如5 次、7 次諧波。 理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1 和pk(p為整流相數)。 當整流相數由p 增大時，可以有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。 但整流變壓器相數增大時，制造成本會大幅上升，控制和保護難度也相應的增加。

3.3 裝配無源濾波器（PF）

無源濾波裝置能夠吸收高次諧波，而且濾波支路對基波呈容性負載，可以滿足無功補償要求，不必另外并聯電容器補償功率因數，這種方法經濟、簡便。 無源濾波器一般由RLC 組成，大致上可以分為六種類型。 分別為：1.單調諧濾波器2.雙調諧濾波器3.一階高通濾波器4.二階高通濾波器5.三階高通濾波器6.“C”式高通濾波器。

單調諧濾波器有通頻窄，濾波效果好，損耗小，調諧容易等特點，是企業使用最多的一種類型。

雙調諧波濾波器可代替兩個單調諧濾波器， 但只有一個電抗器，這個電抗器幾乎承受全部的沖擊電壓，并且接線較為復雜，調諧比較困難，所以僅在高壓系統中使用。

一階高通濾波器因基波損耗較大，不適合企業。 二階高通濾波器通頻帶很寬，濾波效果好，既可調諧振點，又可調諧曲線銳度，并可防止意外共振與放大，二階高通濾波在企業中使用面也非常的廣。 三階高通器一般用在電弧爐濾波。

“C”式高通濾波器，用于電弧爐濾波，對于二次諧波特別有效。

上述幾種無源濾波器（PE）盡管對電網的諧波起到一定的凈化作用，但它們都有很大的局限性，不能對諧波進行全面管理或僅僅局限在一定的范圍內。 這些方式都是被動的消除諧波，不能隨著諧波變化而變化。

3.4 裝配有源濾波器（APE）

有源濾波器的核心部分是諧波電流發生器與控制系統，它對非線性負載產生的諧波進行采樣、分析并建立頻譜圖，按照頻譜圖向電網側輸送一個與非線性負載相反的諧波， 調整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，提高功率因數，有效抑制2~25 次諧波2。

有源濾波器能夠同時消除不同次數的諧波，但目前價格不菲。

4 結束語

總之，企業應根據自己行業特點、企業的工況特點，針對產生不同次數諧波的含量，以及綜合考慮治理諧波的經濟性，合理選擇適合自身的治理諧波的手段和方法，以達到優化用電環境，提升用電質量的目的。

［1］呂正勸.中低壓電網的諧波治理[J].機電工程技術，2008，37(02)：73.

［2］段宇.電網諧波治理和無功補償技術的研究[D].南昌：南昌航空大學，2012.