Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran

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Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran

AbstractThrough analyzing the advantages and disadvantages of all kinds of harmonic elimination devices, the application of a new type harmonic elimination device in industrial project is introduced.

Keywordsharmonic current, harmonic voltage, reactive power compensation, passive filter, active filter

0引言

諧波引起電能質(zhì)量下降，造成能耗損失的問題越來(lái)越受到重視，本文從諧波的產(chǎn)生原因、危害及治理三個(gè)方面簡(jiǎn)要分析，對(duì)比目前常用的幾種諧波治理裝置，介紹了一種新型的諧波治理與節(jié)能省電裝置在工業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用。

1諧波產(chǎn)生的原因

電網(wǎng)中的諧波來(lái)源于電氣設(shè)備，包括發(fā)電設(shè)備、輸配電設(shè)備和用電設(shè)備。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓和變壓器一次側(cè)電壓高于額定電壓10%時(shí)，磁飽和會(huì)使出口諧波顯著增加。由于國(guó)家規(guī)范規(guī)定供電電壓偏差不能超過10%，前兩類電氣設(shè)備對(duì)電網(wǎng)諧波影響很小，故電網(wǎng)中諧波主要來(lái)源于大量的電弧加熱、變頻、整流及開關(guān)電源等非線性用電設(shè)備。

2諧波的危害

諧波能量污染電網(wǎng)，降低電能質(zhì)量，且對(duì)供配電系統(tǒng)及用電設(shè)備造成的危害有：

1)引起設(shè)備發(fā)熱，增加附加損耗，降低工作效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。

2)可能引起局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，使諧波放大，造成過電壓或過電流。

3)干擾通信系統(tǒng)，降低通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能引起信號(hào)丟失，甚至發(fā)生安全事故。

4)加速電氣設(shè)備絕緣老化，降低設(shè)備壽命。

5)干擾設(shè)備正常運(yùn)行。

6)造成保護(hù)開關(guān)過載，降低開關(guān)實(shí)際容量。

7)造成無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備損壞，加大線路損失，占用變壓器的容量空間。

8)使測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生誤差，繼電保護(hù)設(shè)備工作紊亂。

3無(wú)功優(yōu)化和諧波治理措施

單純的無(wú)功補(bǔ)償已不能滿足高能耗、高諧波污染企業(yè)的諧波治理要求，應(yīng)該積極地采用無(wú)功優(yōu)化和諧波治理措施。

高能耗、高諧波污染企業(yè)所安裝的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置只能被動(dòng)滿足供電局對(duì)功率因數(shù)的要求，但是對(duì)于內(nèi)部產(chǎn)生的諧波危害和損耗以及衍生的無(wú)功損耗無(wú)能為力，極易造成企業(yè)能耗損失。

如果采用單純的無(wú)功補(bǔ)償方式，電容器容易與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，雖然表面上提高了功率因數(shù)，但也隨之放大了諧波電流，降低了補(bǔ)償電容壽命，容易損壞電容器，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸和火災(zāi)。系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1　無(wú)功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)示意圖

因?yàn)橹C波源設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)功及諧波會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，故需加裝無(wú)功補(bǔ)償柜，使功率因數(shù)提高到0.9以上，避免供電局罰款。

單純的無(wú)功補(bǔ)償解決不了的問題有：

1)線路損耗：諧波電流及無(wú)功電流流經(jīng)導(dǎo)線L1和L2，造成導(dǎo)線(L1、L2)上面的電壓降及線路損耗。

2)變壓器損耗：諧波及無(wú)功電流造成變壓器的損耗增加，并占用變壓器的容量空間。

3)對(duì)補(bǔ)償電容器的影響：諧波電流增加電容器的工作電流，容易使其發(fā)生過負(fù)荷或損壞。

以上各種危害及損耗均主要源于諧波危害，如果就地治理諧波，可獲得良好效果，包括企業(yè)功率因數(shù)提高、無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘拷档图捌涫褂脡勖涂煽啃蕴岣叩取?/p>

4無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器系統(tǒng)示意圖見圖2。通常設(shè)計(jì)中，在低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器前串聯(lián)一定比例的電抗器組成單調(diào)諧濾波器，可在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)治理含量最高的某次諧波。特殊建筑(如大型醫(yī)院等)中也可采用專用的無(wú)源濾波器就地進(jìn)行諧波治理。

圖2　無(wú)源濾波器系統(tǒng)示意圖

4.1優(yōu)點(diǎn)

設(shè)備簡(jiǎn)單(選用標(biāo)準(zhǔn)的電容器和特制的電抗器)、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)相對(duì)成熟、容量大、適用電壓高(低壓無(wú)源濾波器可達(dá)3 000V)、能達(dá)到基本的濾波效果。

4.2缺點(diǎn)

1)當(dāng)電容器串聯(lián)電抗器時(shí)，由于補(bǔ)償電容器通常利用功率因數(shù)控制電容器組的投切，所以如果電網(wǎng)功率因數(shù)不滿足設(shè)定要求，補(bǔ)償電容不投運(yùn)，相應(yīng)的，無(wú)源濾波裝置也不能發(fā)揮作用。

2)諧波濾除效率低(通常只有80%的濾除率)，而且會(huì)不可避免地對(duì)基波進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。另外，諧振點(diǎn)會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生漂移，導(dǎo)致濾波效果變差。

3)僅能對(duì)固定次數(shù)諧波進(jìn)行有效治理，不能隨意擴(kuò)容，容易受到電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗影響。如圖2所示，當(dāng)使用3次濾波時(shí)可以有效濾除諧波，但另加5次或7次諧波濾波器時(shí)，3個(gè)濾波回路成并聯(lián)現(xiàn)象，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的L-C諧振點(diǎn)變化，濾波效果也改變。

4)對(duì)電抗器和電容器參數(shù)的選配要求嚴(yán)格，當(dāng)串聯(lián)的電抗器與補(bǔ)償電容器比例選配不合適時(shí)，容易引發(fā)諧振，放大諧波，損壞電容器。

5)串聯(lián)濾波電抗器以后，無(wú)功補(bǔ)償電容器的運(yùn)行電壓會(huì)有所提高。

6)串聯(lián)電抗器時(shí)，通常使L-C串聯(lián)電容器組遠(yuǎn)離相鄰諧波的諧振頻率，避免引起相鄰次諧波的諧振。如6脈整流的大功率設(shè)備，其5、7次諧波都很嚴(yán)重，當(dāng)對(duì)電容器組串聯(lián)4%的電抗抑制7次諧波時(shí)，會(huì)對(duì)5次諧波源引起諧振，故串聯(lián)電抗器比例宜取5%～6%，目前廠家多為7%，也因此導(dǎo)致了濾波效果的不理想。

7)容易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，如圖2所示，3次、5次、7次諧波濾波器的電抗容易與干擾源(或負(fù)載)互相干擾，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

8)若負(fù)載增加，可能因超載而損壞。

5有源濾波器

有源濾波器系統(tǒng)示意圖見圖3。圖3中，有源濾波器產(chǎn)生與干擾源諧波成分(假設(shè)為3次、5次)大小相等但極性相反的諧波信號(hào)。開關(guān)S閉合，A點(diǎn)接近于基波信號(hào)。

圖3　有源濾波器系統(tǒng)示意圖

5.1優(yōu)點(diǎn)

濾波器能對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，反應(yīng)迅速，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，不會(huì)產(chǎn)生諧振，濾波效果好(一般>95%)，適宜在電信、醫(yī)院等建筑中使用。

5.2缺點(diǎn)

1)只能治理電流諧波。

2)價(jià)格高、容量小，當(dāng)電網(wǎng)諧波容量大時(shí)，需與無(wú)功濾波器配合使用。

3)本身能耗較大，需要直流電源供電，節(jié)能效果不夠明顯。

4)自身發(fā)熱量大，對(duì)使用環(huán)境要求較高，不適合在惡劣環(huán)境下工作。

5)由大量電子元器件組成，且采用IGBT器件，可靠性較無(wú)源濾波器低。

6)一般治理范圍≤50次諧波，不適合治理高頻諧波。

6新型諧波治理與節(jié)能省電裝置(在線式高效諧波治理裝置)

圖4　在線式高效諧波治理裝置系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)示意圖見圖4。圖4中，B1為串聯(lián)濾波裝置，具有增大與系統(tǒng)之間的電氣距離、減小系統(tǒng)諧波的相互影響、吸收無(wú)功功率、隔離諧波源的諧波電流流入電網(wǎng)而引起電壓畸變等功能。B2為并聯(lián)濾波裝置，可起到治理諧波的作用。B1和B2的磁通量隨線路電流而改變，能起到磁放大和反饋效果。

6.1設(shè)備功能

1)治理諧波電壓和諧波電流。

2)補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。

3)抑制電流異常波動(dòng)。

6.2優(yōu)點(diǎn)

1)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)溫度高、濕度大、酸堿性強(qiáng)、粉塵多的環(huán)境有一定的防護(hù)能力，適合工業(yè)使用。

2)適用于電網(wǎng)質(zhì)量較差的場(chǎng)所。

3)工作模式主要為就地治理，可避免諧波污染范圍擴(kuò)大。

4)可提高功率因數(shù)，降低無(wú)功損耗及諧波損耗，節(jié)約電能。

5)裝置本身功耗小，濾除諧波后，可達(dá)到節(jié)能省電的效果。

6)電子器件少、可靠性高，幾乎不存在后期維護(hù)問題。

7)實(shí)時(shí)響應(yīng)，治理諧波無(wú)延遲。

8)價(jià)格低、性價(jià)比高。

9)單機(jī)容量大，適用于大容量的工業(yè)設(shè)備。

6.3缺點(diǎn)

1)本裝置需串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行工作，當(dāng)在線路內(nèi)串接入電抗器時(shí)，一定程度上會(huì)使電壓損失和電壓偏移增大。當(dāng)裝置與諧波源設(shè)備間的線纜發(fā)生短路故障時(shí)，其饋線短路電流減小。故在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以校驗(yàn)或留有裕量。

2)治理對(duì)象以單一諧波源設(shè)備為主，不宜使用混合負(fù)載，故工作模式主要為就地治理。

3)體積偏大，質(zhì)量偏重。

7諧波治理和無(wú)功優(yōu)化的意義

1)彌補(bǔ)現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償柜功能或容量的不足。

2)治理諧波能使現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償柜更安全、可靠地工作。

3)諧波治理和無(wú)功優(yōu)化能提高電能質(zhì)量，降低現(xiàn)有變壓器的容量占用。企業(yè)既可滿足供電局對(duì)功率因數(shù)的要求，又能得到實(shí)質(zhì)經(jīng)濟(jì)效益。

4)降低無(wú)功損耗及諧波損耗，達(dá)到節(jié)約電能的效果。

5)對(duì)于新建項(xiàng)目，可減少無(wú)功補(bǔ)償安裝容量，降低工程費(fèi)用和電費(fèi)，提高企業(yè)利潤(rùn)。

8新型諧波治理與節(jié)能省電裝置在工業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用案例

8.1某中頻爐車間

1)簡(jiǎn)介

某廠中頻爐車間諧波電壓與諧波電流含量超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致電能損耗嚴(yán)重。

2)治理前后電氣特性比較

治理前：P1=1 244kW，Q1=438kvra，S1=1 319kVA，PF1=0.94，THDU=8.18%，THDI=25.36%。

治理后：P2=1 244kW，Q2=251kvar，S2=1 269kVA，PF2=0.98，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后視在功率差額△S=S1-S2=1 319-1 269=50kVA。

節(jié)能率：(50/1 319)×100%=3.8%。

省電：按節(jié)電率7%計(jì)算(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值)。

全年電費(fèi)核算：C=P×H×R=1 244×6 000×0.76=5 672 640元。

全年節(jié)約電費(fèi)：5 672 640×7%≈40萬(wàn)元/年。

其他：治理諧波后，諧波含量降低，功率因數(shù)提高，設(shè)備故障率明顯降低。

8.2某印刷廠印刷機(jī)設(shè)備

1)簡(jiǎn)介

某廠有4臺(tái)印刷設(shè)備，其諧波電壓、諧波電流含量及功率因數(shù)均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電能損耗極為嚴(yán)重。

2)治理前后電氣特性比較

治理前(單臺(tái))：P1=54kW，Q1=171.2kvar，S1=179.6kVA，PF1=0.3，THDU=14.2%，THDI=40.43%。

治理后(單臺(tái))：P2=54kW，Q2=26kvar，S2=60kVA，PF2=0.9，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后視在功率差額(單臺(tái))：△S=S1-S2=179.6-60=119.6kVA。

節(jié)能率：(119.6/179.6)×100%=67%。

全廠4臺(tái)共計(jì)減少視在功率：4×119.6=478.4kVA。

省電：按節(jié)電率15%計(jì)算(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值)。

全年電費(fèi)核算(單臺(tái))：C=P×H×R=54×7 000×0.75=283 500元。

全年節(jié)約電費(fèi)(單臺(tái))：283 500×15%=42 525元/年。

全廠4臺(tái)共計(jì)年節(jié)電：42 525×4=170 100元/年。

其他：進(jìn)行諧波治理和無(wú)功優(yōu)化后，設(shè)備視在功率減少67%，節(jié)約了變壓器可用容量，提供了設(shè)備增容空間。同時(shí)，由于諧波含量降低，功率因數(shù)提高，避免了供電部門的罰款，設(shè)備故障率也明顯降低。

8.3分析

由以上分析可以得到諧波治理、無(wú)功優(yōu)化與節(jié)能省電的關(guān)系：

1)由于諧波含量與無(wú)功功率降低，視在功率大幅減少，所以達(dá)到了節(jié)能效果，節(jié)約了變壓器容量。

2)由于諧波含量與無(wú)功功率降低，諧波損耗、無(wú)功損耗及整體能耗均降低，節(jié)省了電費(fèi)。

3)功率因數(shù)的提高，滿足了供電局的要求，避免了罰款。

4)其他：諧波含量降低，功率因數(shù)提高，對(duì)設(shè)備的危害相應(yīng)減少，降低了設(shè)備故障率。

9結(jié)束語(yǔ)

諧波治理方案的確定需要綜合考慮，根據(jù)不同項(xiàng)目類型及工況進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較，從而選用適合的諧波治理裝置和方案。有時(shí)，還需要幾種不同的諧波治理裝置同時(shí)配合使用才可達(dá)到最佳的諧波治理效果。

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新型諧波治理與節(jié)能省電裝置應(yīng)用

肖彥 / 王浩然

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100044)

摘要通過對(duì)各類諧波治理裝置優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，介紹一種新型諧波治理裝置在工業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞諧波電流諧波電壓無(wú)功補(bǔ)償無(wú)源濾波器有源濾波器