淺談配電系統(tǒng)中的諧波治理設(shè)計

長江航運規(guī)劃設(shè)計院 付明立

淺談配電系統(tǒng)中的諧波治理設(shè)計

長江航運規(guī)劃設(shè)計院 付明立

隨著社會不斷發(fā)展，民用及工業(yè)用電設(shè)備種類越來越多，電力系統(tǒng)的諧波問題也越來越明顯的影響電網(wǎng)和用電設(shè)備的正常運行，在配電系統(tǒng)中，諧波治理對于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行尤為重要。文章主要介紹了電力諧波類別、危害，諧波電流計算，在配電系統(tǒng)設(shè)計中提出了抑制諧波的措施和個人體會。

配電系統(tǒng)；諧波電流；有源濾波；串聯(lián)電抗器

1 諧波的定義

交流電網(wǎng)中，存在許多非線性的用電設(shè)備，會使電壓波形變?yōu)椴煌潭然兊姆钦也ā２捎酶道锶~級數(shù)分解這些非正弦波，可分解成與工頻相同分量的基波，和基波成整數(shù)倍數(shù)的就稱為諧波。主要諧波源可參見表1。

表1 主要諧波源

2 諧波的危害

配電系統(tǒng)中一旦諧波超標且未有效抑制，會對整個配電系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生不利影響，具體可見表2。

表2 諧波危害

3 諧波計算

諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，目前國際上以傅立葉分解來研究和分析。在工程配電系統(tǒng)設(shè)計，我們關(guān)注諧波電流。

諧波電流本身的測量、計算比較復(fù)雜，在工程設(shè)計階段往往難以搜集到足夠的電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，一般根據(jù)下面的公式對估算：

K1------- 變壓器的負載率，常規(guī)設(shè)計一般取0.7～0.8；

THDi---- 電流總諧波畸變率，不同建筑的取值可參考表3，電流總諧波畸變率；

ST----- 變壓器額定容量（kVA）；

US----- 變壓器低壓側(cè)額定電壓（kV）。

表3 電流總諧波畸變率表

工業(yè)20%變頻驅(qū)動、直流調(diào)速驅(qū)動水處理25%變頻器公共建筑25%調(diào)光設(shè)備、UPS、中央空調(diào)

4 諧波抑制在配電系統(tǒng)的設(shè)計方案

配電系統(tǒng)設(shè)計采取的抑制措施主要考慮從諧波達標水平、效果、經(jīng)濟性和技術(shù)是否成熟等多個角度綜合考慮，下面從抑制諧波干擾、諧波治理兩個大方面介紹常用的措施。

4.1 抑制諧波干擾

為了讓電力設(shè)備更好的運行，避免諧波干擾帶來的不穩(wěn)定，配電系統(tǒng)工程設(shè)計中一般是采取通過電氣設(shè)備物理空間、諧波源自身參數(shù)入手，具體方法如下：

（1）合理配電，非線性負荷靠近電源端；非線性與線性負荷由不同母線段供電。也可將諧波源改由較大容量的電源或高一級電壓的電網(wǎng)直接供電。

（2）配電系統(tǒng)設(shè)計時，兩種電容器裝置應(yīng)遠離：提高功率因數(shù)的電容器，使高頻電流流入的電力電容器。或者將具有諧波互補性的設(shè)備集中布置，即對裝置的配置或工作方式有一定的要求。

（3）在無功功率補償回路中串聯(lián)非調(diào)諧諧波電抗器抑制諧波時，為避免產(chǎn)生諧振造成對系統(tǒng)諧波放大，L-C串聯(lián)支路的諧波頻率應(yīng)低于系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波頻率，或者串聯(lián)一定感抗值的電抗器，或限制電容器組的投入容量。

（4）變頻設(shè)備應(yīng)靠近被控設(shè)備。不宜將對諧波敏感的信息技術(shù)設(shè)備布置在諧波干擾源附近。

（5）選用D，Yn11型的三相變壓器供電。

4.2 諧波治理設(shè)計

前面談到的是抑制諧波干擾，雖然有一定作用，但都是被動遠離諧波，局限性強，無法治理或減少諧波，下面以主動治理諧波設(shè)計的方法闡述：

采用有源濾波器：適用于當公共連接點或系統(tǒng)裝置內(nèi)部接點處的諧波電壓超標或諧波源的功率因數(shù)較高，如大功率整流設(shè)備。a.當非線性負荷容量占比配電變壓器容量較大時，自然功率因數(shù)較高時，宜在變壓器低壓配電母線側(cè)裝設(shè)有源電力濾波器。b.當一個區(qū)域內(nèi)有較分散且容量較小的非線性負荷時，宜在末端配電箱母線裝設(shè)有源濾波器。c.僅有少量非線性的重要設(shè)備，宜分散就近對成套電氣設(shè)備配置上裝設(shè)有源濾波器。

采用無源濾波器：適用大型穩(wěn)定的非線性負荷，或自然功率因數(shù)較低的單相非線性負荷以及主要為連續(xù)的3次的諧波源治理，宜采用并聯(lián)，并在諧波處就地裝設(shè)。

采用無源諧波器與有源濾波器混裝：適用容量較大、3次以上諧波含量高、頻譜特性復(fù)雜、負荷穩(wěn)定、自然功率因數(shù)低的諧波源。

4.3 諧波補償裝置的容量估算

前面談的都是的理論知識，在工程設(shè)計中，最終是要落實到具體計算和設(shè)備選型上，根據(jù)估算的諧波電流值進行設(shè)備選型，也可根據(jù)公共聯(lián)接點或內(nèi)部聯(lián)接點對諧波的要求進行技術(shù)經(jīng)濟合理的選型。

采用無源諧波抑制，可以根據(jù)無功容量每千乏折算成電流后按0.2～0.3的系數(shù)折算成諧波抑制電流（如果非線性負荷較多，可取0.2）。舉例：300kvar消諧式無功補償電流為432A，按系數(shù)0.2折算抑制86.4A的諧波電流。

采用有源濾波裝置，可以根據(jù)諧波電流的估算值作為設(shè)計選型依據(jù)。

設(shè)計舉例：某公共建筑的變電所的變壓器型號為SCB11-1000kVA，10/0.4Kv D,Yn11；Uk=6%，負載率K1=0.8，查表3取THDi=20%，根據(jù)諧波電流公式：

根據(jù)變壓器容量來消諧式無功補償設(shè)計，采用30%～40%的變壓器容量的補償量，即先選擇300kvar的消諧式無功補償，電流為433A，按系數(shù)0,2折算即抑制86.6A的諧波電流。但消諧式無功補償不能完全抑制諧波，若僅僅選用消諧式無功補償后，系統(tǒng)諧波還達不到治理要求時則需采用有源濾波器，考慮到消諧式無功補償本身抵消的諧波電流，系統(tǒng)還存在的諧波電流：226.5－86.6=139.9A。根據(jù)需要再選用容量為100A～150A的三相有源濾波器。

4.4 消諧式補償裝置中串聯(lián)電抗器電抗率的選取

在配置消諧式補償裝置時，串聯(lián)電抗器選型很重要，它是根據(jù)電網(wǎng)條件、電容器參數(shù)經(jīng)過相關(guān)計算分析確定，一般來說，基本原則是能夠消除主要數(shù)的諧波，同時還要避免其他次數(shù)諧波引起的電壓升高而超出電容器能夠承受的范圍。選擇電抗器電抗率的常用方法：

(1)僅限制涌流時，選取在0.1%～1.0%之間的電抗器，根據(jù)回路的連接線長短來確定取上限值或下限值。

(2)當電網(wǎng)中的3次諧波含量較多且超標時，選用串聯(lián)12%的電抗器。

(3)當電網(wǎng)中的5次諧波含量較多且超標時，選用串聯(lián)4.5%～5.0%的電抗器。

(4)當電網(wǎng)中的3次、5次諧波同時存在，含量較多且超標時，選用12%和4.5%～5.0%的電抗器混和使用。采用兩種電抗率的條件是電容器組數(shù)較多，其目的是節(jié)省投資和相對全部采取12%的電抗器能減少電抗器自身消耗的容性無功。

(5)當電網(wǎng)中3次、5次諧波含量都較小時，可不串聯(lián)電抗器。

5 諧波治理設(shè)計體會

在同一變電站或單一配電系統(tǒng)中，原則上按上述推薦值或以上治理措施進行配置是沒有問題的。但是，對于稍大或復(fù)雜的電網(wǎng)進行諧波控制時，要從技術(shù)經(jīng)濟上優(yōu)化配置卻是一個復(fù)雜的工程，需要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，采用計算機模擬計算，才能得到最佳配置。結(jié)合筆者參與的項目反饋和與一些專家交流的體會，理論選取治理諧波的裝置參數(shù)（包括有源、無源濾波器，電抗器），在工程投產(chǎn)前或運行一段時間的過程中，均應(yīng)跟蹤諧波測試，通過測試數(shù)據(jù)來了解諧波運行狀況，從而檢測這些配置參數(shù)的效果作出評價，為進一步優(yōu)化治理諧波提出改進措施，即是一個閉環(huán)反饋不斷改進的動態(tài)過程。

總的來說，抑制諧波的關(guān)鍵是要分清諧波源的種類、估算出諧波電流，同時還要在實際電網(wǎng)運行中實時監(jiān)測，選擇有效方案。

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院組編．工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊．第三版[M]．北京:中國電力出版社,2005．10

[2]國家建筑標準設(shè)計圖集．低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及處理11CD403[M]．北京:中國計劃出版社,2011

[3]伍永暢．無功補償及諧波濾波系統(tǒng)選型方案[J]．造紙科學與技術(shù),2010,(05)．

[4]顧凱．電力系統(tǒng)諧波治理[J]．電氣工程與自動化,2011(9)．

付明立（1982—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于長江航運規(guī)劃設(shè)計院，主要從事水運工程、建筑工程的供配電設(shè)計。