某諧波治理的工程案例設計

李曼

摘 要：針對某工程運行時諧波導致設備損壞的情況，本文在分析諧波狀況、比較多種解決方案的

關鍵詞：諧波；無源濾波器；有源濾波器；諧波抑制；不間斷電

上海某單位變配電室內發生設備損壞事件：當兩套UPS（兩臺UPS并聯冗余1+1）同時由一路市電供電后，與這兩套UPS聯絡的電容補償柜燒壞。本文在深入分析事件產生原因后，以現場測試數據以及現有消諧方法為基礎，依據具體實際情況和工程實際經驗，擬定切實解決問題的方案。

1 故障分析

該變電站由兩路10KV高壓市電環網供電，供電情況穩定可靠。由一路高壓市電及一套高低壓電源系統，并同時利用原有的五路低壓電源供電。同時配置了一臺柴油發電機組，作為應急電源。油機電源經與一路高壓市電轉換后通過聯絡柜與原有的低壓電源實現切換。該路高壓市電的無功功率補償采用低壓側集中補償方式，采用低壓無功功率自動補償裝置，補償后的高壓側的功率因數達到0.9以上。

事后用儀器對該電容柜受電端進行了測量。測得的電流為雙羊角波形是明顯的諧波波形圖，電壓波形也有毛刺。由以上分析，初步認定電容補償柜燒壞的原因是由于電路中的高次諧波導致。

究其原因，這些系統多是使用了含有整流裝置的設備。其中包括UPS、變頻設備以及開關電源等。UPS是通過整流器/充電器從交流配電系統中獲得電力的，所以對應于UPS上線的配電系統，整流器/充電器是一個會引起諧波失真的非線性負載.一般來說，UPS由市電電網中吸取能量的方式不是連續的正弦波，而是斷續的。這種脈動電流和外電網沿路阻抗一起形成的脈動電壓降疊加在電網電壓的正弦波上，而造成了失真，通常要求正弦波失真度<5%。

由此可得以下的結論：電流中含6k±1（k為正整數）次諧波，各次諧波的有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

在用電系統中，產生諧波的根本原因是由于具有非線性阻抗特性的用電設備（又稱為非線性負荷） 用電的結果。非線性負荷在工作時從電網取用非正弦電流，結果使電流波形產生畸變。諧波電流流經阻抗后，形成電網諧波電壓；電壓波形進而發生畸變，諧波產生以后，作為補償的電容器組常會在高頻下發生共振故而進一步放大諧波，從而加劇了系統諧波污染的情況，嚴重時將導致整個系統不能正常運行，影響同一供電系統的其它負荷設備甚至整個系統的失效，將引起相關部門的高度重視。

2 實測結果

2.1 諧波源的實測結果

用電能質量分析儀對該變配電系統內部供電電網質量進行測試。實測結果進一步印證了上述分析結果。以下是該系統UPS測試前端，當一臺120KVA的UPS單獨供電時即70%負載率情況下（UPS輸出電流顯示130，110，103A），以及在UPS旁的開關電源處所測的數據：

3 治理方案的確定

3.1 原則

要針對具體情況具體分析，因地制宜的進行諧波治理。同時要結合實測數據，分析測量結果，對遇到的諧波問題擬不同的解決方案以咨比較后再確定最后的方案。在確定最后諧波治理方案時，應通常考慮以下幾點：電氣系統接線圖（發動機組和隔離變壓器的類型、功率、短路電壓、亞瞬態電抗；系統中各點的接地；負載的功率、類型；市電運行方式等）；諧波源的具體現狀（包括幾次諧波、類型、大小等）；有無補償電容器組以及是否與系統發生諧振；負載停電的可能性；

3.2 分析及結論

結合目前常用消諧方法，對本工程做如下分析：

（1）移相消諧

通過自耦變壓器為整流器供電產生了相移，導致各個整流器產生的諧波電流重組。計算表明還剩6kp±1次諧波（p為整流器個數）。即11，13，23，25等。優點是：價格最便宜；缺點是：只適用于至少兩個UPS并聯使用的系統；N個諧波源（在此UPS）相互之間一定要大小、相位、個數保持一致；系統擴容不方便；移相器參數一旦定下，再改變就比較困難。

基于系統擴容及安全性考慮，系統設計上兩臺UPS是又互為備用，如果一臺故障，另一臺就承擔所有出力，這樣的話，移相器諧波抑制的方法就不再有效，此方法就有了極大的隱患。本工程不予考慮。

（2）無源濾波器消諧

應用無源元件（如電阻器、電感器和電容器）適當組合，通過LC選頻網絡，在接近諧振頻率下，對某一頻率的諧波提供低阻抗通路，由此達到濾掉此頻率諧波的目的。利用在諧振頻率下，感抗與容抗相互抵消，只剩下電阻的阻尼作用，因而形成對諧波頻率的低阻抗通道。濾波器對諧波源呈串聯連接，同時與電源阻抗形成并聯共振電路，應用時須注意參數的選擇避免發生共振導致電流放大的情況。實際工程中常存在多個頻率諧波，則須安裝多級濾波器。

4 結語

針對實際工程中的諧波治理問題，本文給出了理論分析方法，實際測試結果，以及幾種成熟的諧波治理方案，是有廣泛代表性的。這一套分析方法和方案建議對實際工程的諧波治理是非常具有借鑒意義的。

參考文獻：

[1] 程全紅.有源濾波技術及工程應用[J]. 工程建設與設計. 2009（07）.

[2] 冀向華.有源電力濾波器在劇場中的應用[J]. 建筑電氣. 2009（05）.

[3] 顧競梅.有源電力濾波器在諧波治理中的應用[J]. 電工技術. 2008（03）.