高次諧波對供電系統的干擾及解決方法

徐路，陳榮

1 水泥廠電能質量問題現狀分析

近些年，水泥生產工藝不斷改進，東華水泥廠引入大量新型變頻電機，變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后把直流電源換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機，其供電原理如圖1所示。

圖1 變頻器原理圖

圖2 窯頭低壓母線電流波形

圖3 窯頭低壓母線諧波含量

圖4 篦冷機5703風機電流波形

圖5 篦冷機5703風機諧波含量

圖6 篦冷機5704風機電流波形

圖7 篦冷機5704風機諧波含量

圖8 窯主傳動電機電流波形

圖9 窯主傳動電機諧波含量

變頻器采用不可控整流，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。

經實際測試，東華水泥廠5 000t/d生產線窯頭1號配電室部分設備，測試結果如圖2～9所示。

2 諧波的危害

（1）產生附加損耗：諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；當大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災。

（2）導致電動機發熱：諧波會導致電動機產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲以及過電壓。

（3）影響系統安全：當電流波形過零點時，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，導致開斷困難，而且會延長故障電流的切除時間。

（4）影響補償電容壽命和效果：諧波頻率下感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀。

3 水泥廠諧波治理建議

針對上述情況，建議采用有源電力濾波器（APF），補償原理見圖10。有源濾波器并聯到原有配電網中，通過檢測負載諧波，利用先進數字算法和電力電子技術，發出與負載大小相等方向相反的諧波電流，從而抵消諧波危害。由于并聯到系統中，APF故障或者有問題時可以直接切出而不影響原有系統正常工作，因此具有很高的可靠性。

圖10 有源電力濾波器補償原理

針對東華水泥廠車間實際情況，擬采用中頻設備專用SNAPF專用有源電力濾波器，對設備中的5、7次中頻諧波進行有效消減。具體配置如下：

1號配電室變壓器容量1 650kVA，平均諧波率30%，配置APF補償容量300kVA（可采用2臺標準GGD配電柜安裝，單柜容量150kVA，內含5臺抽拉式單體APF，方便檢修及替換），達到補償率80%以上效果。

2號窯主傳動配電室進線容量300kVA，諧波畸變率35%，配置有源濾波器120kVA，單臺GGD柜式安裝。

4 諧波治理后的節能效果分析

4.1 平均視在功率降低

補償設備安裝使用后，功率因數提高，諧波電流尤其是5次、7次等中頻諧波降幅為75%～83%左右，平均視在功率可降低20%左右，并產生明顯節電效果。

以2號窯主傳動配電室為例，投入前電流有效值為680A，其中5次諧波電流約為180A，投入有源諧波濾波裝置后預計5次諧波電流將被抑制到5%以下（≯30A），電流有效值可降低到500A左右。平均視在功率可降低60kW，合計每小時節電量為60kWh，日節電量=60kWh×24=1 440kWh。

4.2 變壓器損耗降低

APF設備投運后，理論上可將諧波電壓基本抑制，諧波電壓導致的鐵損可以減少。根據以往工程經驗，二號配電室電室諧波電流為180A，因此導致的主變壓器負載電流額外損耗為5.7kW左右，此值也就是諧波得到完全治理后的節電量，日額外還可產生節電量=5.7kWh×24=136.8kWh。其他配電室平均視在功率降低節電效果與之基本類似。

5 結語

通過安裝有源濾波器，有效降低了大量變頻電機投運后產生的諧波頻率，提高了電能的利用率。避免了大量諧波產生后導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災的隱患，保證了設備的運行安全，為企業創造了經濟效益?！?/p>