Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran



Application of New Harmonic Governance and Energy Saving Device

Xiao Yan / Wang Haoran

AbstractThrough analyzing the advantages and disadvantages of all kinds of harmonic elimination devices, the application of a new type harmonic elimination device in industrial project is introduced.

Keywordsharmonic current, harmonic voltage, reactive power compensation, passive filter, active filter

0引言

谐波引起电能质量下降，造成能耗损失的问题越来越受到重视，本文从谐波的产生原因、危害及治理三个方面简要分析，对比目前常用的几种谐波治理装置，介绍了一种新型的谐波治理与节能省电装置在工业项目中的应用。

1谐波产生的原因

电网中的谐波来源于电气设备，包括发电设备、输配电设备和用电设备。当发电机端电压和变压器一次侧电压高于额定电压10%时，磁饱和会使出口谐波显著增加。由于国家规范规定供电电压偏差不能超过10%，前两类电气设备对电网谐波影响很小，故电网中谐波主要来源于大量的电弧加热、变频、整流及开关电源等非线性用电设备。

2谐波的危害

谐波能量污染电网，降低电能质量，且对供配电系统及用电设备造成的危害有：

1)引起设备发热，增加附加损耗，降低工作效率，严重时会损坏设备。

2)可能引起局部的串联或并联谐振，使谐波放大，造成过电压或过电流。

3)干扰通信系统，降低通信质量，严重时可能引起信号丢失，甚至发生安全事故。

4)加速电气设备绝缘老化，降低设备寿命。

5)干扰设备正常运行。

6)造成保护开关过载，降低开关实际容量。

7)造成无功补偿设备损坏，加大线路损失，占用变压器的容量空间。

8)使测量仪表产生误差，继电保护设备工作紊乱。

3无功优化和谐波治理措施

单纯的无功补偿已不能满足高能耗、高谐波污染企业的谐波治理要求，应该积极地采用无功优化和谐波治理措施。

高能耗、高谐波污染企业所安装的功率因数补偿装置只能被动满足供电局对功率因数的要求，但是对于内部产生的谐波危害和损耗以及衍生的无功损耗无能为力，极易造成企业能耗损失。

如果采用单纯的无功补偿方式，电容器容易与系统产生谐振，虽然表面上提高了功率因数，但也随之放大了谐波电流，降低了补偿电容寿命，容易损坏电容器，严重时还会引起爆炸和火灾。系统示意图见图1。

图1　无功补偿装置系统示意图

因为谐波源设备产生的无功及谐波会导致功率因数降低，故需加装无功补偿柜，使功率因数提高到0.9以上，避免供电局罚款。

单纯的无功补偿解决不了的问题有：

1)线路损耗：谐波电流及无功电流流经导线L1和L2，造成导线(L1、L2)上面的电压降及线路损耗。

2)变压器损耗：谐波及无功电流造成变压器的损耗增加，并占用变压器的容量空间。

3)对补偿电容器的影响：谐波电流增加电容器的工作电流，容易使其发生过负荷或损坏。

以上各种危害及损耗均主要源于谐波危害，如果就地治理谐波，可获得良好效果，包括企业功率因数提高、无功补偿的容量降低及其使用寿命和可靠性提高等。

4无源滤波器

无源滤波器系统示意图见图2。通常设计中，在低压无功补偿电容器前串联一定比例的电抗器组成单调谐滤波器，可在进行无功补偿的同时治理含量最高的某次谐波。特殊建筑(如大型医院等)中也可采用专用的无源滤波器就地进行谐波治理。

图2　无源滤波器系统示意图

4.1优点

设备简单(选用标准的电容器和特制的电抗器)、成本低、运行稳定、技术相对成熟、容量大、适用电压高(低压无源滤波器可达3 000V)、能达到基本的滤波效果。

4.2缺点

1)当电容器串联电抗器时，由于补偿电容器通常利用功率因数控制电容器组的投切，所以如果电网功率因数不满足设定要求，补偿电容不投运，相应的，无源滤波装置也不能发挥作用。

2)谐波滤除效率低(通常只有80%的滤除率)，而且会不可避免地对基波进行无功补偿。另外，谐振点会随着使用时间的延长发生漂移，导致滤波效果变差。

3)仅能对固定次数谐波进行有效治理，不能随意扩容，容易受到电网系统阻抗影响。如图2所示，当使用3次滤波时可以有效滤除谐波，但另加5次或7次谐波滤波器时，3个滤波回路成并联现象，导致原设计的L-C谐振点变化，滤波效果也改变。

4)对电抗器和电容器参数的选配要求严格，当串联的电抗器与补偿电容器比例选配不合适时，容易引发谐振，放大谐波，损坏电容器。

5)串联滤波电抗器以后，无功补偿电容器的运行电压会有所提高。

6)串联电抗器时，通常使L-C串联电容器组远离相邻谐波的谐振频率，避免引起相邻次谐波的谐振。如6脉整流的大功率设备，其5、7次谐波都很严重，当对电容器组串联4%的电抗抑制7次谐波时，会对5次谐波源引起谐振，故串联电抗器比例宜取5%～6%，目前厂家多为7%，也因此导致了滤波效果的不理想。

7)容易与系统发生并联谐振，如图2所示，3次、5次、7次谐波滤波器的电抗容易与干扰源(或负载)互相干扰，产生谐振现象。

8)若负载增加，可能因超载而损坏。

5有源滤波器

有源滤波器系统示意图见图3。图3中，有源滤波器产生与干扰源谐波成分(假设为3次、5次)大小相等但极性相反的谐波信号。开关S闭合，A点接近于基波信号。

图3　有源滤波器系统示意图

5.1优点

滤波器能对谐波进行实时跟踪，反应迅速，补偿特性不受电网阻抗的影响，不会产生谐振，滤波效果好(一般>95%)，适宜在电信、医院等建筑中使用。

5.2缺点

1)只能治理电流谐波。

2)价格高、容量小，当电网谐波容量大时，需与无功滤波器配合使用。

3)本身能耗较大，需要直流电源供电，节能效果不够明显。

4)自身发热量大，对使用环境要求较高，不适合在恶劣环境下工作。

5)由大量电子元器件组成，且采用IGBT器件，可靠性较无源滤波器低。

6)一般治理范围≤50次谐波，不适合治理高频谐波。

6新型谐波治理与节能省电装置(在线式高效谐波治理装置)

图4　在线式高效谐波治理装置系统示意图

系统示意图见图4。图4中，B1为串联滤波装置，具有增大与系统之间的电气距离、减小系统谐波的相互影响、吸收无功功率、隔离谐波源的谐波电流流入电网而引起电压畸变等功能。B2为并联滤波装置，可起到治理谐波的作用。B1和B2的磁通量随线路电流而改变，能起到磁放大和反馈效果。

6.1设备功能

1)治理谐波电压和谐波电流。

2)补偿无功功率，提高功率因数。

3)抑制电流异常波动。

6.2优点

1)环境适应性强，对温度高、湿度大、酸碱性强、粉尘多的环境有一定的防护能力，适合工业使用。

2)适用于电网质量较差的场所。

3)工作模式主要为就地治理，可避免谐波污染范围扩大。

4)可提高功率因数，降低无功损耗及谐波损耗，节约电能。

5)装置本身功耗小，滤除谐波后，可达到节能省电的效果。

6)电子器件少、可靠性高，几乎不存在后期维护问题。

7)实时响应，治理谐波无延迟。

8)价格低、性价比高。

9)单机容量大，适用于大容量的工业设备。

6.3缺点

1)本装置需串联系统进行工作，当在线路内串接入电抗器时，一定程度上会使电压损失和电压偏移增大。当装置与谐波源设备间的线缆发生短路故障时，其馈线短路电流减小。故在工程设计中应予以校验或留有裕量。

2)治理对象以单一谐波源设备为主，不宜使用混合负载，故工作模式主要为就地治理。

3)体积偏大，质量偏重。

7谐波治理和无功优化的意义

1)弥补现有无功补偿柜功能或容量的不足。

2)治理谐波能使现有无功补偿柜更安全、可靠地工作。

3)谐波治理和无功优化能提高电能质量，降低现有变压器的容量占用。企业既可满足供电局对功率因数的要求，又能得到实质经济效益。

4)降低无功损耗及谐波损耗，达到节约电能的效果。

5)对于新建项目，可减少无功补偿安装容量，降低工程费用和电费，提高企业利润。

8新型谐波治理与节能省电装置在工业项目中的应用案例

8.1某中频炉车间

1)简介

某厂中频炉车间谐波电压与谐波电流含量超出国家标准，导致电能损耗严重。

2)治理前后电气特性比较

治理前：P1=1 244kW，Q1=438kvra，S1=1 319kVA，PF1=0.94，THDU=8.18%，THDI=25.36%。

治理后：P2=1 244kW，Q2=251kvar，S2=1 269kVA，PF2=0.98，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后视在功率差额△S=S1-S2=1 319-1 269=50kVA。

节能率：(50/1 319)×100%=3.8%。

省电：按节电率7%计算(现场实测值)。

全年电费核算：C=P×H×R=1 244×6 000×0.76=5 672 640元。

全年节约电费：5 672 640×7%≈40万元/年。

其他：治理谐波后，谐波含量降低，功率因数提高，设备故障率明显降低。

8.2某印刷厂印刷机设备

1)简介

某厂有4台印刷设备，其谐波电压、谐波电流含量及功率因数均未达到国家标准，电能损耗极为严重。

2)治理前后电气特性比较

治理前(单台)：P1=54kW，Q1=171.2kvar，S1=179.6kVA，PF1=0.3，THDU=14.2%，THDI=40.43%。

治理后(单台)：P2=54kW，Q2=26kvar，S2=60kVA，PF2=0.9，THDU=5%，THDI=12%。

效益分析：治理前后视在功率差额(单台)：△S=S1-S2=179.6-60=119.6kVA。

节能率：(119.6/179.6)×100%=67%。

全厂4台共计减少视在功率：4×119.6=478.4kVA。

省电：按节电率15%计算(现场实测值)。

全年电费核算(单台)：C=P×H×R=54×7 000×0.75=283 500元。

全年节约电费(单台)：283 500×15%=42 525元/年。

全厂4台共计年节电：42 525×4=170 100元/年。

其他：进行谐波治理和无功优化后，设备视在功率减少67%，节约了变压器可用容量，提供了设备增容空间。同时，由于谐波含量降低，功率因数提高，避免了供电部门的罚款，设备故障率也明显降低。

8.3分析

由以上分析可以得到谐波治理、无功优化与节能省电的关系：

1)由于谐波含量与无功功率降低，视在功率大幅减少，所以达到了节能效果，节约了变压器容量。

2)由于谐波含量与无功功率降低，谐波损耗、无功损耗及整体能耗均降低，节省了电费。

3)功率因数的提高，满足了供电局的要求，避免了罚款。

4)其他：谐波含量降低，功率因数提高，对设备的危害相应减少，降低了设备故障率。

9结束语

谐波治理方案的确定需要综合考虑，根据不同项目类型及工况进行技术、经济性比较，从而选用适合的谐波治理装置和方案。有时，还需要几种不同的谐波治理装置同时配合使用才可达到最佳的谐波治理效果。

参考文献

[1]GB/T 24337-2009电能质量 公用电网间谐波[S]．北京：中国标准出版社，2009.

[2]GB/T 14549-93公用电网谐波[S]．北京：中国标准出版社，1994.

[3]GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差[S]．北京：中国标准出版社，2008.

[4]GB/T 12326-2008电能质量 电压波动和闪变[S]．北京：中国标准出版社，2008.

[5]GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率偏差[S]．北京：中国标准出版社，2008.

[6]GB/T 15543-2008电能质量 三相电压不平衡[S]．北京：中国标准出版社，2008.

新型谐波治理与节能省电装置应用

肖彦 / 王浩然

(中国建筑设计院有限公司，北京 100044)

摘要通过对各类谐波治理装置优缺点进行比较分析，介绍一种新型谐波治理装置在工业项目中的应用。

关键词谐波电流谐波电压无功补偿无源滤波器有源滤波器