智能紡織廠諧波動態治理技術的應用研究

王仕元 劉 濤 袁佑新 周義德

（1.中原工學院，河南鄭州，450006；2.南陽紡織集團有限公司，河南南陽，473200；3.武漢理工大學，湖北武漢；430070）

隨著清梳聯、粗細聯、細絡聯的廣泛應用，以生產高速化、自動化、智能化為標志的新型智能紡織廠不斷增多。生產線上如整流器、變頻器、軟啟動器、不間斷電源UPS、變頻調速裝置、LED照明系統等電子器件隨處可見。變頻器在實現電源交流-直流-交流的逆變和拖動負載過程中，由電力電子器件產生諧波。諧波的存在會影響電網質量，造成正常生產的紡織設備出現電氣故障，如電子清紗器誤動作、程序控制元件失靈、無故停車等；還可能造成無功補償電容器發熱嚴重，起火燒毀；低壓斷路器出現不明原因跳閘等。由于紡織廠設備多，在長時間、高負荷運行狀態下，機臺產生的諧波通過低壓回路互相串聯，多次疊加，隨著數值積累，危害程度不斷增大。諧波的存在，還會使配電系統低壓側電流有效值增大，無用能耗增多，造成電能利用效率降低。因此，對于自動化程度越高，智能化越強的紡紗生產線，其諧波治理工作越顯緊迫。GB/T 50481—2019《棉紡織工廠設計標準》中對此提出了治理要求［1］。本研究分析了紡織企業諧波的產生原因、特性以及現有諧波治理設備的優缺點，通過采用諧波動態治理方案應用實例，總結比較諧波治理的效果。

1 紡織廠諧波的危害及產生原因

1.1 諧波的危害

諧波對紡織設備的危害：諧波會使自調勻整系統運行不穩定；精梳機、粗紗機無故停車；細紗機主電機發熱，輸出轉矩下降；粗細聯、細絡聯控制系統故障無故停車，絡筒機電子清紗器誤動作等。

諧波對紡織供電系統的危害：諧波會使電力電纜發熱、輸送電流能力下降；低壓補償裝置發熱著火，低壓柜發熱噪聲增大、接觸元件故障斷開；使供電系統斷路器的開斷能力降低，產生跳閘、誤動作或拒動等故障。

諧波對紡織車間變壓器的危害：諧波增加了銅損、磁損、鐵損，引起過熱，產生附加損耗；導致絕緣老化、噪聲增大，增加了額外電力損耗；使變壓器低壓側電流有效值增加、無用能耗增加；諧波對高壓側的影響主要是增加了供電系統的無用能耗，電網實際收益下降［2］。

諧波對設備控制系統的危害：諧波會使控制系統失靈、運行不穩定、動作失去選擇性、可靠性降低，嚴重威脅電力系統的安全運行。

1.2 諧波的產生原因

紡織車間諧波的主要產生原因包括廣泛使用變頻器實現工藝調速，變頻器數量多、總功率大，而且進口和國產變頻器工作效率參差不齊；使用的變頻器主要采用低電平拓撲結構，產生5次、7次電力諧波，且5次電力諧波含量最高，對供電系統的危害大［3］；低壓回路系統大，并聯設備多，諧波在低壓側造成反復疊加，形成脈沖效應；在配電室或車間配電柜及工藝設備變頻器處，沒有配置電力諧波濾波器，即使有個別單位配有極少數的諧波濾波器，由于對諧波產生的原因和特性認識不足，其治理方案不合理，配置濾波器的型號不恰當，使得效果不理想；沒有對諧波產生的源頭實現就地治理，使諧波向上一級回路竄動，疊加形成峰值。目前國內外對動態諧波電流的治理存在技術困難，有效治理方法不多，企業治理諧波的動力不足，產生的諧波無限制串流疊加。這些原因致使紡織車間諧波疊加的峰值占比較大，存在較大的安全生產隱患，無效消耗能源，迫切需要治理。

2 諧波治理技術

目前用于諧波治理的技術主要包括有源濾波器、無源濾波器和濾波動態治理3種方法。

有源濾波器是采用電力電子技術和現代控制理論與方法實現動態抑制諧波與無功補償的第二代濾波技術。濾波器產生一個與諧波電壓（電流）大小相等、方向相反的補償電壓（電流）波，采用抵消法使電網側的電壓（電流）波形只包含基波分量，處理后波形幾乎為純正弦波。處理容量小，處理后波形質量高，由于采用抵消的方法，不節能，造價較高。主要應用于醫療設備、信號通訊等用電功率較小，對諧波要求高，要求干擾因素小的領域［4］。通過某紡織廠的應用情況可知，有源濾波器可使電壓畸變率降低1.4%，電流畸變率降低20.1%，低壓側電流有效值僅降低0.8%［5］。說明有源濾波器采用抵消的方法處理諧波電流和電壓，對由變頻器等非線性負載產生的諧波電流吸收效果較差，對諧波環境下的電流有效值下降基本無作用。對紡織廠設備容量大、諧波治理和節能并用的場所不適應。這也是某些紡織企業前期采用濾波設備后效果較差的主要原因。

無源濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯LC諧振電路，其諧振頻率設定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對相應頻率諧波電流進行分流，使主次諧波大部分流入無源濾波器，從而達到濾波的目的［6］。其特點是處理容量大、針對性強，主要用于設備臺數少、諧波電流大（如大功率設備調速裝置）的場所。無源濾波器只能對特定諧波進行濾波，濾波參數會影響濾波性能，對于諧波次數經常變化的負載濾波效果不好。還可能與系統阻抗發生串聯諧振，隨著低壓回路側諧波源的數量增加和諧波數值疊加，可能會引起濾波器的過載。紡織廠變頻器設備多，容量相對較小，生產中由于工藝參數不斷變化，變頻器調節頻繁，諧波的傳播和疊加過程復雜，諧波參數經常發生變化，會造成L/C參數無法調控和參數的離散化等，使無源濾波器諧振頻率精度下降，諧振點偏移，濾波效果變差。

因無源濾波器的L/C參數不可控、離散化，無法動態調諧，不能滿足諧波動態抑制要求；有源濾波器雖可以動態抑制電壓諧波，但不能吸收諧波電流；并且現有濾波技術不具有吸收諧波電流和抑制諧波的雙重特性，對不同諧波源產生的諧波電流，須配置多臺濾波器進行多點濾波才能有效抑制電網諧波，動態濾波應運而生。

濾波動態治理是實時檢測電力諧波與無功電流，實時跟蹤電力諧波變化態勢，動態調控電磁耦合能量和電能變換與基波/諧波變換效率，通過諧波智能控制系統控制基波電流與主次諧波電流關聯度、補償基波無功、控制諧波電流吸收率和節電效率的裝置［7］。可以實現在動態治理吸收諧波電流和抑制諧波電壓的同時，使配電室低壓側二次母排、基波電流有效值同步降低，從而在諧波動態治理的同時達到節約電能的效果。適合于多機臺變頻器拖動、中大容量、非線性負荷變化影響因素較多，對諧波電流治理要求較高的場所。該方法可以針對性濾除主次諧波，尤其對5次、7次等諧波電流的綜合濾波效果更佳。

通過對紡織廠的諧波檢測可知，影響紡織車間電網質量的諧波主要是5次諧波，因此紡織車間采用動態諧波治理較為合適。

3 諧波治理及經濟效益

3.1 項目情況分析

本研究基于規模為20萬錠智能紡紗項目，設計為兩個車間，每個車間10萬錠，設備采用清梳聯、粗細聯、筒紗自動分揀打包系統，于2016年10月正式投產運行。該廠在日常生產過程中，粗細聯系統有時會無故停車，重新啟動后運行正常；絡筒機弱電系統線路板損壞故障較多；高、低壓配電系統中，每臺低壓變配電系統的主進柜斷路器所顯示的低壓電流（有效值）和高壓配電后臺監視系統所檢測到相對應回路高壓電流（有效值），兩者換算后數值大小不一致，低壓電流普遍要明顯高于相對應回路高壓電流換算值，隨機抄錄兩車間高低壓電流數據情況如表1所示（每個車間隨機抄錄4組數據）。

表1 車間變壓器高、低壓電流及倍值關系

在供電系統高壓側電壓10 kV、低壓側電壓0.4 kV的變比下，高、低壓電流有效值從理論上講應該呈25倍的關系，但實際數值高于25倍。分析原因是低壓部分的電流含有需要補償的無功電流、電子設備如整流器、變頻器等所產生的諧波電流等造成，互感器的精度級別也可能造成一些偏差等。

通過采用電能質量分析儀器，分別分析二車間2-1#號和2-6#變壓器二次側電力線路的電能質量和設備運行狀況。發現兩臺變壓器低壓側電流波形畸變嚴重，諧波電流所占比例較高，對紡織車間影響最大的5次諧波電流，2-1#變壓器低壓側三相分別占到基波電流的18.5%，19.5%和27.7%；2-6#變壓器低壓側A相占到基波電流有效值的13.1%，諧波的有效治理迫在眉睫。

3.2 諧波治理

通過對低壓側諧波的特性分析，應以治理5次、7次諧波為主要目的，設計專門的動態諧波治理方案和設備，在兩臺變壓器低壓側，分別采用DTXB-A/B型動態調諧無源濾波器進行治理，于2018年11月和2019年6月投入運行。設備并聯于低壓進線柜母線上，切換方便，投入運行后兩臺變壓器低壓側有效電流值和5次諧波電流值有效降低。以A相為例，治理前后兩臺變壓器低壓側有效電流值和諧波電流對比如表2所示。

表2 兩臺變壓器諧波治理前后效果對比表（A相）

由表2可以看出，兩臺變壓器低壓母線側5次諧波電流值平均下降57.3%和62.4%，低壓母線側有效電流降低7.8%和5.1%。母線上功率因數平均提高0.02以上，說明電力諧波動態治理方法不但吸收了諧波電流、降低了電流有效值，同時將吸收的諧波電流轉換成基波電流，使功率因數提高。高低壓電流倍值分別降低至26.72倍和25.96倍，減少了高壓側電流和高低壓電流變比值。諧波電流減少，電網質量提高，低壓設備配件發熱降低，車間電子設備誤動作現象減少，絡筒機弱電系統線路板損壞現象減少，電子清紗器工作效率提高，絡筒機平均工作效率提高1%～2%。母線上電流有效值的減少，就意味著電能消耗的減少，電能利用率提高。

3.3 節能效果分析

為了準確驗證DTXB型諧波動態治理裝置運行過程中的節能效果，2021年我們采用交叉運行抄表統計用電量的方法進行對比，結果如表3所示。

表3 諧波治理裝置投入或切斷運行15天用電量比較 單位：kW·h

由表3可以看出，在兩個月內諧波治理裝置隔日投入與切斷運行，2-1#變壓器用電量節約8 644 kW·h，節電率為5.29%；2-6#變壓器用電量節約26 164 kW·h，節電率為3.39%。2-6#變壓器帶動細紗、絡筒車間，用電負荷率高，諧波電流比值小。2-1#變壓器帶動前紡車間，用電負荷率低，諧波電流比值大，治理后節能效果更佳。以2-1#變壓器為例，投入運行可月節約電量8 644 kW·h，全年至少可節約103 728 kW·h，按0.65元/（kW·h）電價計算，年節約電費約6.74萬元，僅按節約電費計算，3年內可收回改造成本。

4 結語

（1）現代新型紡織車間由于大量采用開關電源、變頻器調速設備，照明LED系統和非線性設備等，這些設備在運行中會產生大量諧波。諧波會污染電網供電環境，使電網電能質量降低，干擾控制信號，造成繼電保護裝置誤動作甚至無故停車、電子清紗器誤切等，使生產效率下降。還會造成電力元器件發熱，產生額外能耗，甚至引發事故，需要引起高度重視并進行治理。

（2）紡織車間電力諧波由多機臺設備產生，在低壓側相互疊加而成，具有分散、不穩定、形成的諧波電流大、難以治理的特點。宜采用通過諧波智能控制系統，控制基波電流與主次諧波電流關聯度、補償基波無功、控制吸收諧波電流的動態治理方案。吸收諧波補償基波，降低母線有效電流值，在實現諧波治理，優化電網質量的同時節約能源。

（3）試驗檢測證明，DTXB型諧波動態治理裝置可有效治理紡織車間電力諧波，可吸收變壓器低壓母線側5次諧波電流50%以上，使低壓母線側電流有效值降低5%以上，實現車間節電3%以上的效果。低壓母線側諧波電流占基波電流比值越高，諧波治理效果越好，節電效果越明顯。