谐波治理设备在供配电系统中的应用

2017-12-28成连明

中国设备工程 2017年24期

关键词：供配电有源谐波

成连明

（国网江苏省电力公司涟水县供电公司，江苏淮安 223400）

谐波治理设备在供配电系统中的应用

成连明

（国网江苏省电力公司涟水县供电公司，江苏淮安 223400）

随着电力电子技术的不断开发，各类电子装置在电力系统、交通等领域中得到了广泛应用，同时，也极大地增加了电网中的非线性负荷，对电力系统运行产生了负面影响，其中危害最大的当属谐波污染。将谐波治理设备应用到供配电系统当中，能够有效抑制谐波，提高功率因素，从而为供电系统安全运行提供保障。本文从谐波污染对电网构成的危害入手，分析当前谐波治理设备在供配电系统中的应用，最后结合实例验证有源滤波器的应用效果。

谐波治理设备；供配电系统；有源滤波器

近年来，经济快速发展背景下，越来越多的电源设备、变频设备等在实践中得到了广泛应用，虽然提高了生产质量和效率，但这些设备在运行时会产生谐波电流，对供电系统、周围设备等都会产生负面影响，造成电压、电流波形严重失真现象的出现。谐波污染会降低各类用电设备使用效率。为了提高电能质量，积极引入有源电力滤波器等设备，实现对供配电系统的动态补偿。

1 谐波污染危害

谐波源于整流电路设备，是电网规模发展和扩大的必然结果。工业上谐波源主要涉及电力电子装置，如晶闸管可控开关设备、中高频感应炉等。从特点与性质角度来看，谐波具有间谐波、波动谐波及稳态谐波等类型，由于它们具有多态性、不确定性，务必要在现实生活中对其予以观察，总结它们的规律，才能够确定出谐波属性，实现针对性治理。一旦产生谐波，会对电网运行产生负面影响，降低电网供电质量，如影响断路器、补偿及用电设备等运行效果。具体如下。

其一，增加公用电网额外损耗，降低输配电设备运行效率。导致电容器、变压器及其他感性设备等出现过热现象，长期在上述状态中运行，势必会缩短设备使用寿命，谐波引起的谐振会使电气设备及电缆线路出现绝缘老化和击穿现象。

其二，引起电能计量紊乱。供电系统中的大量高次谐波电流，会严重干扰电能计量装置的计量精度，使计量准确度大打折扣。同时，也会损坏电能计量装置，并可能引起中线过载，发热引发火灾事故。

其三，谐波的产生。除了对供配电系统产生影响，还会影响到通信及信息系统运行，通信质量大打折扣，严重情况下，还会造成信息丢失，工控系统难以发挥有效作用，可见谐波的危害不容忽视，加强对谐波治理是实现供配电系统稳定运行的重中之重。

2 谐波治理设备在供配电系统中的应用

一般情况下，谐波常出现在10kV及以下电压等级的供配电系统中。针对谐波治理，可以从预防和治理2个角度入手，前者从源头入手，避免谐波的产生，通过改进设备内部结构，抑制谐波的形成；后者可以改变系统馈线参数、或者安装谐波治理装置，进行谐波补偿。具体主要从以下几方面入手。

2.1 整流设备

整流设备产生谐波与脉动数存在密切联系，二者呈正相关关系。谐波次数越大，谐波电流越小。因此，在实践中，要提高整流设备脉动数，以此来抑制谐波的产生。但整流设备脉动数量的增加，需要提高装置的配置。通常情况下，百kVA以上的大功率整流装置，要采用12、24脉整流。而小功率可以引入脉宽调制技术，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分低次谐波，控制谐波分量在合理范围内。

2.2 供电设备

针对供配电系统来说，可以改变变压器绕组，减少谐波现象的产生。如三角形连接变压器，能够消除3次及其倍数的谐波。发电机在运行时，能够提供与标准相符的电能，从源头上消除和减少谐波电动势。或者借助星型连接方式，能够避免3次及倍数谐波。要想提高谐波治理效果，要切实考虑实际情况，明确谐波类型与性质，做到具体谐波具体对待，确保连接方式具有针对性。

2.3 无源电力滤波器

无源电力滤波器（PPF），是按照一定拓扑结构，将电感与电容元件连接到一起，再结合参数配置而成，以此来滤除某次谐波。在实践应用中，其滤波特性由配电系统、装置阻抗比来决定，且结构简单，能够为日后维护提供便利。但在应用中，需要注意如下几个问题，一是PPF只能够滤除最初设定的谐波成份，缺乏灵活性，无法协调滤波、调压及无功补偿之间的关系，甚至可能对部分谐波构成放大影响，与预期目标背道而驰。如若遇到成分复杂的谐波，需要对其进行具体处理，才能够提高滤除效果。二是系统运行情况复杂化，直接导致滤波效果也随之发生波动，一旦谐波强度过高，会造成元件、设备的损坏。要想解决上述问题则需引入有源电力滤波器，才能够提高谐波治理效果。

2.4 有源电力滤波器

近年来，人们对于电能质量提出了更高要求，由于谐波治理中无源电力滤波器已经无法发挥积极作用。因此，在电力系统中引入有源电力滤波器（APF）迫在眉睫，尤其是在10kV供配电系统中。在系统中，该设备指令电流运算部分能够对供配电系统内的无功、谐波电流提取出来，变流器对其进行电流补偿。通过上述处理，能够有效降低或消除电网内谐波电流成分，以此来提高电网的运行质量，为人们提供优质的供电服务。相较于PPF，APF具有灵活性优势，能够有效滤除开关器件、开关频率产生的谐波，根据供配电系统产生的谐波情况进行针对性调整。不仅如此，该装置在运行时不会产生过载情况，始终在额定容量内运行，故在现实生活中，可以广泛推广APF，实现对谐波高效治理，为电力系统稳定运行提供坚实的保障。有源电力滤波器结构原理见图1。

图1 有源电力滤波器结构原理图

3 应用实例

基于研究实用性，本文选取具体案例进行深入研究。本地某厂房安装中频电源大功率加热设备、数控机床等，用户10kV配电站中设2台2000kVA配电变压器以满足生产需求。但用电设备在运行过程中，产生了大量谐波，对低压电网构成了不同程度的污染。最严重时，谐波造成配电站汇流排及配电变压器产生震动、异响等现象，尤其是2#配电变压器出现噪音大且发热严重的状况，给电站稳定运行埋下了诸多安全隐患。对此，尽快治理谐波问题非常关键。通过对低压供电支路谐波进行仪测，数据如表1（0.38kV谐波电流允许值根据地方供电公司调度提供的系统短路容量计算，2000kVA配变短路阻抗按铭牌标示值5.97%计），能够从中发现低压供电支路注入母线的5次、7次及11次谐波电流偏高，2#配变5次谐波电流远超过相关规定和要求。故需要引入有源滤波器到低压支路上，实现对该支路的谐波治理，以此来避免谐波进一步危害电网，为设备运行创建良好的运行环境。

表1 电站低压供电支路谐波电流评估情况

针对上述情况，引入2台APF(计算容量200A，设有HPF高通滤波器），利用电缆将其与母线连接到一起，并在进线柜端口三相母线上，分别加装采样电流互感器，电流采样点介于注入点与负载之间，具有直观性。经过改造后，电站谐波问题得到了有效控制，运行效果更加科学、合理。根据测量数据来看，安装有源电力滤波器后，电能质量较以往有了极大的改善，实测总谐波电流下降到2.1%左右，其中5次、7次谐波电流分别下降至1.5%、0.5%，不仅如此，电站母线异常及变压器噪音基本得到了控制。本例中，为了提高谐波治理效果，还可以根据每台设备电流谐波量，采取就近治理方式，通过对设备用电性能的有效改善，以此来抑制谐波的产生，从而确保输送的电能具有较高的质量。企业要提高对谐波治理的重视度，积极引入先进设备和技术，将其应用到谐波治理过程中，为企业生产系统的持续运行奠定坚实的基础。