伍章田，李學政

（廣西柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

近年來，由中頻爐、變頻器等非線性負荷裝置產生的諧波和無功問題，嚴重影響了電網和電氣設備的安全經濟運行。因此本文對電網諧波與無功功率的產生原因及其對電網和同一電網中的其他設備的危害，進行了分析研究，并結合柳州五菱柳機動力有限公司關于諧波與無功補償綜合治理的實踐，對電網諧波治理和無功補償?shù)姆椒ā⒐?jié)能效果以及效益進行了有效的分析。

1 諧波與無功功率

1.1 諧波產生的原因

在理想的情況下，優(yōu)質的電力供應，應該是提供具有正弦波形的電壓，但在實際中，供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波，是指一些頻率為基波頻率（在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率）整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產生諧波的根本原因，是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備（又稱非線性負荷）供電的結果。高次諧波能導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質量變壞，因此，諧波含量是電力質量的重要指標之一。

所有的非線性負載都能產生諧波電流，產生諧波的裝置主要如下：

（1）整流器與整流設備；

（2）影視設備，TV監(jiān)視器等；

（3）辦公類設備，如計算機、復印機、打印機、傳真機等；

（4）UPS電源系統(tǒng)、電梯；

（5）電子控制照明裝置，如調光、電子熒光燈整流器等；

（6）空調、微波爐，尤其是變頻調速裝置；可變頻驅動裝置則產生以5、7次諧波最為顯著，三相供電有6個脈沖橋式可控硅整流器的UPS電源，則沒有3次諧波，而以5、7次諧波最為顯著，三相供電有12脈沖可控硅整流器時，那么11、13次諧波則最為顯著。

1.2 無功功率產生的原因

無功功率，通俗地講，就是不消耗電能的用電設備所消耗的功率。比如把一只電容器接入交流電路中，電路就會對電容器進行充放電，這樣就形成電流，充電時，電容器蓄存電能；放電時，電容器把電能又還給電源。電容器這個用電設備，本身并不消耗電能，但它卻有功率（功率等于電壓乘以電流強度），這就是無功功率。電容器雖然不消耗電能，但是因為有電流，所以電力線路上會消耗電能（電線都有電阻），對供電的電源變壓器來說，更是一種負擔。因為變壓器的容量（它能提供的功率）是有限的，無功功率會占用變壓器的容量，使正常供電受到限制。同樣，把一只電感器接入交流電路，也會產生無功功率。不過電容器使電流相位超前，而電感器使電流相位滯后，它們的作用正好相反，可以相互抵消。一般的用電設備，都是電感性的，如工廠里的電動機，它會產生感性無功功率，不但使電力線白白消耗電能，增加電力線路的負擔，更是白白占用電源變壓器的容量，是非常有害的。

2 五菱柳機中頻爐運行狀況

2.1 用電現(xiàn)狀

柳州五菱柳機動力有限公司的兩臺中頻電爐（分別為1號爐和2號爐），兩臺中頻爐額定容量均為（1506+1506）kW，整流變雙繞組輸出分別為Y接接，組成12脈波整流器。中頻爐的接線圖如圖1所示。

圖1 中頻爐所在線路接線圖

2.2 存在問題

通過調研、勘察和測試分析，確定了公司電能質量問題主要是中頻爐負荷所在線路諧波污染嚴重、功率因數(shù)偏低和三相平衡問題，其中諧波污染和功率因數(shù)偏低問題較為嚴重。

2.2.1 諧波污染

中頻爐所在線路變壓器低壓（575 V）側和高壓側都有電流諧波，低壓側電流主要成分是5、7次諧波，諧波畸變率高達32.4%。高壓側電流諧波主要次數(shù)是11、13次諧波，總諧波畸變率是14.8%。

諧波不僅會消耗系統(tǒng)的無功功率儲備，其危害還主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，增加變壓器和旋轉電機的損耗；

（2）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗；

（3）電力電容器引起的諧波放大。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗，要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多；

（4）引起電能計量的誤差，干擾通訊系統(tǒng)。

因此，無論是從保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經濟運行的角度，還是從柳州五菱柳機動力公司本身用電設備的安全、正常工作的角度，有效進行治理諧波，將其限制在允許范圍之內，還電網一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網”，已經迫在眉睫。

2.2.2 功率因數(shù)偏低

五菱柳機兩臺中頻爐是由原來的工頻爐改造而成，工頻爐拆除后，其附屬的無功補償裝置一并拆除，新改造的中頻路尚未安裝無功補償，因諧波嚴重，普通的不帶消諧功能的無功補償裝置不能投入。

根據2008年1月用戶用電情況，1＃爐所在線路功率因數(shù)為0.871 4，2＃爐所在線路功率因數(shù)為0.835 1，可見兩路10 kV進線側功率因數(shù)均不達標。

無功功率只是用來建立和維持磁場，完成電磁能量的相互轉換，不對外做功，為系統(tǒng)提供電壓支撐，在電源與負荷之間提供電壓跌落所需要的勢能。大量無功電流在電網中的流動，會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴重。無功功率對電力系統(tǒng)的影響如下：

（1）對有功功率的影響。無功功率的傳輸需要消耗有功功率，當線路的輸送能量一定時，無功功率越小，傳輸?shù)挠泄β誓芰υ酱蟆?/p>

（2）對電壓的影響。電力系統(tǒng)無功功率平衡影響電壓水平，無功電源充足時，電壓水平高，反之則低。

（3）對線損的影響。無功電源的布局、傳輸和管理，直接關系到線路的損耗和電網的經濟運行。電網結構確定，輸送的有功功率一定時，總功率損耗完全取決于無功功率的大小。

2.2.3 三相不平衡

根據測量，公司用電存在三相不平衡問題，但不算嚴重，不平衡度為3.4%左右。

圖2 三相不平衡度監(jiān)測結果

3 綜合解決方案

由于柳州五菱柳機動力有限公司同時存在諧波污染嚴重和功率因數(shù)偏低的問題，因此采用了動態(tài)諧波治理和無功補償綜合解決方案，即：有源電力濾波器和高通濾波器組成動態(tài)諧波治理和無功補償綜合裝置4臺，對諧波和無功同時進行動態(tài)跟蹤補償，裝置與負載并聯(lián)使用。

3.1 綜合裝置原理圖

圖3為1＃中頻爐所在線路的諧波治理和無功補償綜合裝置（2＃中頻爐相同），中頻爐諧波的動態(tài)特性明顯，系統(tǒng)采用有源電力濾波器，實現(xiàn)諧波治理和動態(tài)無功分量補償。該方案將有源與無源配合使用，構成混合式有源濾波器；有源濾波器優(yōu)先濾除11、13次特征諧波，無源濾波器對系統(tǒng)無功功率進行有效補償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；無源部分采用較高的電抗率，以防止有源部分產生的諧波與無源部分發(fā)生諧振。同時，只要在有源允許容量范圍內，有源電力濾波器還可以適當對負載側其它特征次諧波進行安全補償，達到對諧波的連續(xù)、動態(tài)治理的效果。

圖3 1＃中頻爐諧波治理和無功補償綜合解決方案

3.2 容量的計算

（1）諧波治理所需容量。柳州五菱柳機動力公司中頻爐熔煉階段單個繞組的相電流為

總諧波電流含量為

諧波治理方案中，中頻爐的諧波主要由有源電力濾波器濾除，有源電力濾波器濾除總諧波電流的73%，有源電力濾波器所需容量為

因此可采用300 kVA有源電力濾波器作為諧波治理的主要設備。

（2）無功補償所需容量。柳州五菱柳機動力公司無功補償方案中，無功補償指標為補償后功率因數(shù)達0.93。中頻爐主要有3種工作狀態(tài)：加溫、熔煉、保溫。根據各負荷大小和補償前后功率因數(shù)的大小，確定無功補償所需容量如表1所示。

表1 中頻爐各種工況下的無功補償容量表

3.3 主要功能特點

（1）動態(tài)高速補償諧波電流。動態(tài)諧波和無功綜合治理裝置，可以快速補償各次動態(tài)諧波電流，使得電源側電流諧波含量降低，提高用戶的電能質量；

（2）連續(xù)動態(tài)高速無功補償。對動態(tài)無功可以快速連續(xù)吸收或者釋放無功功率，響應速度為3～10 ms；

（3）調節(jié)三相不平衡。動態(tài)無功諧波綜合治理裝置可以使三相有功電流平均分配，無功電流平衡。

（4）抑制電壓閃變、跌落，保證電壓穩(wěn)定。電壓突變，對設備和生產線危害很大，導致數(shù)據丟失、設備損壞，動態(tài)無功諧波綜合治理裝置，可以確保電壓在一定范圍內恒定；

（5）降低線路損耗。該裝置不僅可以應用在感性負載場合，還可以應用在容性負載的場合，可以提高補償效果，降低線路損耗。

3.4 測試效果

諧波無功綜合補償裝置投入后的補償效果如表2所示。

表2 諧波無功綜合補償裝置投入后的補償效果表

4 經濟效益分析

4.1 諧波治理效果分析

此次柳州五菱柳機動力有限公司諧波與無功綜合治理項目的實施，實現(xiàn)了高電壓、大電流的混合式有源濾波器的應用。通過現(xiàn)場測試，1#、2#中頻爐變壓器的高壓側功率因數(shù)從補償前的0.85補償?shù)?.95以上，20次以下諧波濾波效果優(yōu)于GB/T14594-93標準。表3是設備投入運行前后中頻爐耗能及功率因數(shù)對照表。

表3 設備投入運行前后中頻爐耗能及功率因數(shù)對照表

4.2 經濟效益分析

（1）無功當量經濟效益分析。柳州五菱柳機動力公司的電網實現(xiàn)無功補償后，不僅降低配變用電設備的損耗，而且使高低壓配電電流減少，因而使線損率降低，同時主變銅線及上一級輸電線路的導線損失降低，進而提高變壓器和輸電線路利用率，增加設備的輸出功率。按功率因數(shù)補償至0.94計算，低壓補償后線損降低比例為15%。10 kV側最大補償容量為900 kVA，平均值按600 kVA計算，無功經濟當量取0.06，補償設備每天投運時間按10 h計算，每年可減少有功電量13.14萬kW·h，補償設備本身損耗的有功電量為0.18萬kW·h，每年實際減少的有功電量約為13萬kW·h。

（2）能源節(jié)省估算。投入補償后，可減少有功電量356 kW·h/d，平均日產量按 50 t計算，則單位能耗下降7 kW·h/t，每月按連續(xù)生產30 d，每年按連續(xù)生產12個月計算，由此粗略計算可知，一個月減少有功消耗10 680 kW·h，一年減少有功消耗128 160 kW·h。標準煤折算系數(shù)為標準煤368 g/kW·h，則一年減少標準煤的消耗為47.29 t。通過對標準煤燃燒廢氣計算可得，每年可減少污染環(huán)境的氣體排放CO2達 123 899.8 kg，SO2達 402 kg，NOx達 350 kg。

（3）其他經濟效益和社會效益。進行無功補償和諧波治理，除了上述分析的直接經濟效益外，還具有其他綜合社會效益。由于無功電流減少，導致總電流減少，設備維修量減少，設備壽命延長；功率因數(shù)提高及三相不平衡度降低，末端電壓的提高，生產效率提高，產品質量得到改善；隨著功率因數(shù)的提高，電網可以把更多電力調配給其他生產設備，其間接效益也十分樂觀；諧波污染的消除，可以提高電網的運行穩(wěn)定性和可靠性，降低諧波造成的生產事故發(fā)生概率，提高生產安全性，減少不必要的損失。

5 結束語

以上相關數(shù)據證明，通過該工程項目的成功運作實施，對高耗能企業(yè)進行了節(jié)能改造，降低了能耗，提高了能源利用率，使企業(yè)的生產成本大幅度降低，減少了廢棄物的排放，極大地提高了企業(yè)市場競爭力，使企業(yè)獲得了經濟效益和社會效益。柳州五菱柳機動力有限公司的“無功補償與諧波治理工程”項目，是企業(yè)積極響應國家節(jié)能減排的號召、建設節(jié)約型社會、主動承擔社會責任而做出的正確舉措。

[1]張直平.城市電網諧波手冊[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]羅 安.電網諧波治理與無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.