高耗能負(fù)荷集中地區(qū)電網(wǎng)諧波分析

劉 保

石嘴山供電局，寧夏石嘴山 753000

0 引言

近年經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，給國(guó)家?guī)砹舜罅康慕?jīng)濟(jì)財(cái)富，同時(shí)也帶來了不可忽視的工業(yè)污染、工業(yè)負(fù)荷等大量問題。尤其是在冶煉、電石等高耗能產(chǎn)業(yè)集中的西北地區(qū)，工業(yè)用電負(fù)荷問題已具一定規(guī)模，沖擊性、非線性負(fù)荷容量的不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致大量可威脅電網(wǎng)安全的諧波的產(chǎn)生。諧波騷擾電網(wǎng)運(yùn)行性能，無疑減弱了電網(wǎng)可發(fā)揮的正常效力，降低了工作效率，從而影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)值。

1 諧波源的分類

當(dāng)電力系統(tǒng)中某些設(shè)備的電壓和其負(fù)荷電流不成正比、達(dá)到非線性時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電波畸形比如變壓器、交直流交換器、電弧爐等設(shè)備，都可能發(fā)生非線性變化。如果非線性設(shè)備繼續(xù)存在電力系統(tǒng)中，當(dāng)此設(shè)備承載傳遞、交換、吸收電力系統(tǒng)所供給的基波能量時(shí)，非線性設(shè)備會(huì)自主的將所吸收的部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量。諧波能量會(huì)導(dǎo)致非線性設(shè)備向系統(tǒng)輸送大量的高次諧波，進(jìn)而引起電力系統(tǒng)正弦波形變形，最終結(jié)果是電能質(zhì)量的降低。

電力系統(tǒng)中的許多部件都可發(fā)生非線性變化，按其類型可分為以下幾類：如變壓器、電抗器等含有鐵心的部件發(fā)生鐵磁飽和非線性諧波；如整流器等交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)等電子開關(guān)型非線性諧波；如冶煉電弧爐在熔化期間、交流電弧焊機(jī)在焊接期間，因電弧的點(diǎn)燃和劇烈變動(dòng)形成的高度非線性的電弧性諧波。此外，三相供電中還存在三相不平衡的非線性特性，比如電氣鐵道、由低壓供電的單相家用電器等，都屬于三相不平衡非線性。

2 高耗能集中地區(qū)諧波主要來源

2.1 電弧爐

某地區(qū)年用電結(jié)構(gòu)圖顯示，鐵合金工業(yè)用電量占46.06%，電石工業(yè)占27.77%，碳化硅占10.01%。如此冶煉工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，高耗能負(fù)荷就較為嚴(yán)重，諧波現(xiàn)象存在也較為廣泛。而電爐是冶煉工業(yè)中最為廣泛應(yīng)用的一類高能效加熱源。其中的電弧在熔煉金屬時(shí)爐產(chǎn)生的電流波形圖很不規(guī)則，會(huì)產(chǎn)生間諧波、2次到7次諧波等。此外，中頻爐也是生產(chǎn)高次諧波的一個(gè)主要部件，中頻爐在冶煉金屬時(shí)，極易產(chǎn)生5次、7次、11次等奇次諧波。試想如此大規(guī)模的生產(chǎn)諧波，將會(huì)為電力系統(tǒng)帶來多少負(fù)擔(dān)。

2.2 用戶變壓器群

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可缺少的部件，其數(shù)量和作用都是相當(dāng)龐大的。但是變壓器也極易產(chǎn)生諧波分量。具體原理為，三相變壓器的組成形狀為日字形，頂頭兩相的長(zhǎng)度大于中相，造成三個(gè)磁路的不對(duì)稱性。磁路的不對(duì)稱則造成變壓器磁電流中含有少量的諧波。雖然這個(gè)諧波的分量很小，但是由于各個(gè)變壓器的互相連接，就造成變壓器磁電流中諧波的疊加，最終形成大規(guī)模的諧波能量。

2.3 電氣化鐵路

諧波的另一個(gè)主要來源是電氣化鐵路。因?yàn)殡姎饣F路是單相供電，即110kV電壓經(jīng)牽引變壓器后來供給電力機(jī)車。電流經(jīng)牽引變壓器后會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)性大的牽引負(fù)荷，和負(fù)序電流、電壓。而負(fù)序分量中就含有諧波成分，雖然諧波占有的比例較小，但是牽引符合沿線分布特別廣泛，所以牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波仍然是不容忽視的。

3 抑制諧波的主要措施及各自的優(yōu)缺點(diǎn)

諧波已成為全民公敵，消除諧波的危害演變到刻不容緩的地步。

3.1 主動(dòng)治理

所謂主動(dòng)治理，即從諧波產(chǎn)生的源頭入手，消除諧波源產(chǎn)生的條件，把其滋生成分扼殺在搖籃。我們可以從三個(gè)方面入手，控制諧波源。

其一，對(duì)變流器采取措施。一方面可采用四相限變流器等高功率變流器；另一方面也可改造變流器的裝置來增加變流器的相術(shù)及脈沖數(shù)。此方法可有效的減小諧波量，但是對(duì)裝置的配置和工作方式有一定的要求，同時(shí)還會(huì)使得裝置更加復(fù)雜；

其二，利用諧波的自身特點(diǎn)?？沙浞掷弥C波自身可互補(bǔ)、可疊加的特點(diǎn)，來減小諧波的影響。比如可以利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上來降低諧波。但是，此方法只有在保證三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步的情況下才能發(fā)揮效力，且諧波發(fā)生器的功率消耗非常之大，可占據(jù)整流器直流功率的十分之一；

其三，新技術(shù)的使用。通過新技術(shù)的輔助，增加諧波的頻率，降低諧波的幅度，使其越來越靠近正弦波形狀。此辦法有很大的局限性，只對(duì)自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器有效。

3.2 受端治理

所謂受端治理，是指改造已經(jīng)被諧波感染的設(shè)備，來提高其抵抗諧波干擾的能力。受端治理的措施主要有以下幾種：

1）選擇合理的供電方式。通過增大諧波源的電壓來避免諧波源會(huì)危及更多用電設(shè)備和系統(tǒng)。由此對(duì)諧波危害的減弱有較大成效，但是此方法要在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段考慮；2）改造電容器，避免電容器對(duì)諧波的放大。當(dāng)諧波流向電容器時(shí)，在保證電容器安全運(yùn)行的前提下，通過適當(dāng)改造電容器來有效控制諧波的流通，避免電容器放大諧波現(xiàn)象的出現(xiàn)。比如可以控制電容器的投入容量，還可改變電容器的串聯(lián)電抗器等等。此方法可確保電容器組的安全運(yùn)行，也可有效的減小電容器組對(duì)諧波的放大，但卻需專門設(shè)計(jì)來達(dá)到此效果；3）改善設(shè)備自身的機(jī)體性能。一方面要通過改進(jìn)設(shè)備性能來提高設(shè)備抗諧波干擾的能力；另一方面可安裝諧波保護(hù)裝置，避免諧波損害設(shè)備的惡性事件的發(fā)生。對(duì)諧波較為敏感的設(shè)備可通過此法有效隔離諧波，但是對(duì)其他部件而言，效果不甚理想。

3.3 被動(dòng)治理

被動(dòng)治理，即借助濾波器來切斷諧波流向電網(wǎng)的通路。比如可在可在諧波源附近安裝高波濾波器等無源濾波器PF來吸收諧波電流；也可通過在諧波源附近串聯(lián)或者并聯(lián)有源濾波器APF，來隔離諧波。二者各有利弊：無源濾波器PF成本低，技術(shù)成熟，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，但只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波，且濾波效果不好；相對(duì)而言有源濾波器APF效果好，能迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小的變化，但裝置造價(jià)較高。當(dāng)然，此二法也可混合使用，可集PF成本低廉和APF性能優(yōu)越于一體，達(dá)到更高的效果。

4 結(jié)論

綜上所述，鏟除諧波危害是社會(huì)發(fā)展的需要。根據(jù)產(chǎn)生諧波的原因不同，對(duì)癥下藥采取相應(yīng)的措施，可事半功倍。在電力系統(tǒng)中消除諧波污染，除在電網(wǎng)中采取一定的措施外，還必須依靠全社會(huì)的支持和配合，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

[1]2009年度**地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式[M]，2009.

[2]林海學(xué).電力系統(tǒng)的三相不平衡[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

[3]李建明.電網(wǎng)電能質(zhì)量分析評(píng)價(jià)技術(shù)研究[EB/OL].山東：技術(shù)研究，2008.