电网中谐波的消除

电网中谐波的消除
【摘要】供电系统中的谐波问题已经引起企业的关注，为保证供电系统中所有电气设备正常的工作，必须采取强有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的后果。

通过分析谐波产生的原因，并对电网中谐波的危害进行了详细说明，总结和提出谐波消除的方法。

【关键词】谐波消除；电能优化；有源滤波；无源滤波
1 概述
随着电力电子技术的快速发展，使用大功率半导体开关元件以及各类开关电源产品向电网中注入了大量的谐波电流，使供配电网络的电能质量普遍下降。

目前，电能质量优化技术正在得到企业的认可，电能质量优化也意味着节能，电能质量优化对企业与用户来说最直接的收益就是节约电费，提高经济效益，增加市场竞争力。

2谐波的定义
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。

3谐波产生的原因
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

我公司最典型的谐波源负载就是变频器，在氨基酸生产部31和32分厂的动力设备中含有大量大功率变频器（31分厂有250KW变频器2台、160KW变频器4台、90KW变频器1台；32分厂有160KW变频器5台、132KW变频器3台、90KW变频器2台），变频器工作过程中会产生大量5次、7次、11次等高次数谐波电流。

这些高频谐波电流同时又作为次级电流源被重新注入到电网。

下图是对公司氨基酸生产部32分厂实测的变频器的波形，从中能够看出正弦波电流波形畸变的程度：
谐波使电网中的电气设备产生额外的损耗，即谐波功率。

不仅降低了设备的效率，同时也影响设备的正常工作。

随着电力电子设备使用的不断增加，同时这
些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

4谐波的危害
供电系统的谐波危害主要表现在以下几个方面：
4.1 对输电线路的危害
谐波电流使输电线路的附加损耗增加，在电网的损耗中，变压器和输电线路的损害占大部分，所以谐波能够使电网的网损增大。

4.2对电力电容器的危害
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

下图为实测32分厂电容器谐波含量：
4.3 对电力变压器的危害
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。

同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。

4.4 对电动机的危害
谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。

4.5对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。

其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

4.6影响电力测量的准确性
由于电力计量装置都是按50HZ的标准正弦波设计的，当供电电压或负荷中
有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。

5谐波治理国家标准GB/T 14549—93 《电能质量公用电网谐波》，该标准规定公用电网谐波电压（相电压）限值：
6现场谐波测量数据及计算方法
6.1 谐波测量数据
采用FLUKE电能质量分析仪对公司氨基酸生产部31分厂和32分厂的谐波量进行了测量，测量结果如下：
31分厂：总电流1471A，总谐波电流畸变率21.8%，总谐波电流313A。

五次谐波电流为249A；七次谐波电流为158A。

32分厂：总电流1216A，总谐波电流畸变率26.6%，总谐波电流310A。

五次谐波电流为256A；七次谐波电流为165A；11次谐波电流为80A。

6.2 计算方法
根据国家标准GB/T 14549—93 《电能质量公用电网谐波》，0.38KV系统电压总谐波畸变率不能大于5%。

按照0.38KV系统，其基准短路容量为10MV A，5次谐波允许注入谐波电流为62A，7次谐波允许注入谐波电流为44A，11次谐波允许注入谐波电流为28A。

31、32分厂实测数据按照国家标准折算后应为：
6.2.131分厂为2000KV A变压器，按电网短路容量为500MV A计算，其变压器低压侧出口短路电流为47KA，短路容量S==1.732*0.4*47=32MV A 则5次谐波允许注入电流Ih=32/10*62=198A；
7次谐波允许注入电流Ih=32/10*44=140A。

6.2.232分厂为2500KV A变压器，按电网短路容量为500MV A计算，其变压器低压侧出口短路电流为59KA，短路容量S==1.732*0.4*47=40MV A 则5次谐波允许注入电流Ih=40/10*62=248A；
7次谐波允许注入电流Ih=40/10*44=176A；
11次谐波允许注入电流Ih=40/10*28=112A。

经过实测和以上分析计算，得出的结论如下：
1）31分厂和32分厂电压谐波总畸变率在国家标准范围之内。

2）31分厂5次谐波电流已经高出国家标准249A-198A=51A,七次谐波电流高出国家标准158A-140A=18A。

3）32分厂5次谐波电流高出国家标准256A-248A=8A,七次谐波电流低于国家标准176A-165A=11A，十一次谐波电流低于国家标准112A-80A=32A。

7谐波治理及解决方案
目前治理谐波方案有两种：
7.1 采用有源滤波器方式
有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。

7.1.1有源滤波的基本工作原理：根据外部互感器实时采集电流信号，通过内部检测电路分离出其中的谐波部分，通过IGBT逆变出与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能，使其成为正弦波形。

有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。

下图为有源滤波器工作原理图和主电路图：
7.1.2 有源滤波器的特性
7.1.2.1优异的动态性能，相应时间小于1ms；
7.1.2.2三相补偿谐波电流，谐波次数可以高达50次；
7.1.2.3低的功率损耗(小于设备额定功率的3%)
7.1.2.4可选择消除谐波模式或既消除谐波又进行无功功率补偿模式。

7.2采用无源滤波的方式
无源滤波主要由滤波电容器和电抗器组合成LC滤波装置，主要包括调谐滤波器、高通滤波器等。

7.2.1无源滤波的原理
如图5所示，使用电抗器与电容器串联，组成一个LC串联谐振电路，把该电路并联在电网中，即构成一个最基本的无源滤波回路。

f——电流频率（Hz）
L——电抗器的电感量（H）
C——电容器的电容量（F）
当2πfL = 1/（2πfC）时，回路的阻抗最小，即串联谐振。

此时，f = 1/（2π√LC ）（1-2）
f称为谐振频率，调整L、C的参数，使f等于要滤除的谐波的频率，就可以使该次谐波电流大部分流过滤波回路，而不会影响电网中的其它设备。

7.2.2无功补偿装置
利用滤波电抗器（L）和滤波电容器（C）和滤波电阻器（R）组成调谐支路，给特征谐波形成公用电网之外的低阻抗通路，使流入公用电网的谐波满足相应要求。

根据31分厂和32分厂的谐波测量和计算的资料，针对每个分厂的谐波进行治理，在31分厂需要配置五次、七次谐波无源滤波器和高通滤波器或一台300A 有源滤波器，32分厂需要配置五次、七次、十一次谐波无源滤波器和高通滤波器或一台300A有源滤波器。

具体配置方案采用总补偿的方式，在配电变压器低压侧配置无源滤波装置。

8结束语
谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。

GB/T 14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、城网中，谐波治理有明确的规定和要求，而目前许多企业发展迅速，有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。

因此，在对谐波准确测量的基础上，提出适合的治理方案。

这样不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。