王仕元 劉 濤 袁佑新 周義德

（1.中原工學(xué)院，河南鄭州，450006；2.南陽紡織集團(tuán)有限公司，河南南陽，473200；3.武漢理工大學(xué)，湖北武漢；430070）

隨著清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)的廣泛應(yīng)用，以生產(chǎn)高速化、自動(dòng)化、智能化為標(biāo)志的新型智能紡織廠不斷增多。生產(chǎn)線上如整流器、變頻器、軟啟動(dòng)器、不間斷電源UPS、變頻調(diào)速裝置、LED照明系統(tǒng)等電子器件隨處可見。變頻器在實(shí)現(xiàn)電源交流-直流-交流的逆變和拖動(dòng)負(fù)載過程中，由電力電子器件產(chǎn)生諧波。諧波的存在會(huì)影響電網(wǎng)質(zhì)量，造成正常生產(chǎn)的紡織設(shè)備出現(xiàn)電氣故障，如電子清紗器誤動(dòng)作、程序控制元件失靈、無故停車等；還可能造成無功補(bǔ)償電容器發(fā)熱嚴(yán)重，起火燒毀；低壓斷路器出現(xiàn)不明原因跳閘等。由于紡織廠設(shè)備多，在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)臺(tái)產(chǎn)生的諧波通過低壓回路互相串聯(lián)，多次疊加，隨著數(shù)值積累，危害程度不斷增大。諧波的存在，還會(huì)使配電系統(tǒng)低壓側(cè)電流有效值增大，無用能耗增多，造成電能利用效率降低。因此，對(duì)于自動(dòng)化程度越高，智能化越強(qiáng)的紡紗生產(chǎn)線，其諧波治理工作越顯緊迫。GB/T 50481—2019《棉紡織工廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)此提出了治理要求［1］。本研究分析了紡織企業(yè)諧波的產(chǎn)生原因、特性以及現(xiàn)有諧波治理設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，通過采用諧波動(dòng)態(tài)治理方案應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)比較諧波治理的效果。

1 紡織廠諧波的危害及產(chǎn)生原因

1.1 諧波的危害

諧波對(duì)紡織設(shè)備的危害：諧波會(huì)使自調(diào)勻整系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定；精梳機(jī)、粗紗機(jī)無故停車；細(xì)紗機(jī)主電機(jī)發(fā)熱，輸出轉(zhuǎn)矩下降；粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)控制系統(tǒng)故障無故停車，絡(luò)筒機(jī)電子清紗器誤動(dòng)作等。

諧波對(duì)紡織供電系統(tǒng)的危害：諧波會(huì)使電力電纜發(fā)熱、輸送電流能力下降；低壓補(bǔ)償裝置發(fā)熱著火，低壓柜發(fā)熱噪聲增大、接觸元件故障斷開；使供電系統(tǒng)斷路器的開斷能力降低，產(chǎn)生跳閘、誤動(dòng)作或拒動(dòng)等故障。

諧波對(duì)紡織車間變壓器的危害：諧波增加了銅損、磁損、鐵損，引起過熱，產(chǎn)生附加損耗；導(dǎo)致絕緣老化、噪聲增大，增加了額外電力損耗；使變壓器低壓側(cè)電流有效值增加、無用能耗增加；諧波對(duì)高壓側(cè)的影響主要是增加了供電系統(tǒng)的無用能耗，電網(wǎng)實(shí)際收益下降［2］。

諧波對(duì)設(shè)備控制系統(tǒng)的危害：諧波會(huì)使控制系統(tǒng)失靈、運(yùn)行不穩(wěn)定、動(dòng)作失去選擇性、可靠性降低，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.2 諧波的產(chǎn)生原因

紡織車間諧波的主要產(chǎn)生原因包括廣泛使用變頻器實(shí)現(xiàn)工藝調(diào)速，變頻器數(shù)量多、總功率大，而且進(jìn)口和國產(chǎn)變頻器工作效率參差不齊；使用的變頻器主要采用低電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，產(chǎn)生5次、7次電力諧波，且5次電力諧波含量最高，對(duì)供電系統(tǒng)的危害大［3］；低壓回路系統(tǒng)大，并聯(lián)設(shè)備多，諧波在低壓側(cè)造成反復(fù)疊加，形成脈沖效應(yīng)；在配電室或車間配電柜及工藝設(shè)備變頻器處，沒有配置電力諧波濾波器，即使有個(gè)別單位配有極少數(shù)的諧波濾波器，由于對(duì)諧波產(chǎn)生的原因和特性認(rèn)識(shí)不足，其治理方案不合理，配置濾波器的型號(hào)不恰當(dāng)，使得效果不理想；沒有對(duì)諧波產(chǎn)生的源頭實(shí)現(xiàn)就地治理，使諧波向上一級(jí)回路竄動(dòng)，疊加形成峰值。目前國內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)諧波電流的治理存在技術(shù)困難，有效治理方法不多，企業(yè)治理諧波的動(dòng)力不足，產(chǎn)生的諧波無限制串流疊加。這些原因致使紡織車間諧波疊加的峰值占比較大，存在較大的安全生產(chǎn)隱患，無效消耗能源，迫切需要治理。

2 諧波治理技術(shù)

目前用于諧波治理的技術(shù)主要包括有源濾波器、無源濾波器和濾波動(dòng)態(tài)治理3種方法。

有源濾波器是采用電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論與方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抑制諧波與無功補(bǔ)償?shù)牡诙鸀V波技術(shù)。濾波器產(chǎn)生一個(gè)與諧波電壓（電流）大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓（電流）波，采用抵消法使電網(wǎng)側(cè)的電壓（電流）波形只包含基波分量，處理后波形幾乎為純正弦波。處理容量小，處理后波形質(zhì)量高，由于采用抵消的方法，不節(jié)能，造價(jià)較高。主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、信號(hào)通訊等用電功率較小，對(duì)諧波要求高，要求干擾因素小的領(lǐng)域［4］。通過某紡織廠的應(yīng)用情況可知，有源濾波器可使電壓畸變率降低1.4%，電流畸變率降低20.1%，低壓側(cè)電流有效值僅降低0.8%［5］。說明有源濾波器采用抵消的方法處理諧波電流和電壓，對(duì)由變頻器等非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流吸收效果較差，對(duì)諧波環(huán)境下的電流有效值下降基本無作用。對(duì)紡織廠設(shè)備容量大、諧波治理和節(jié)能并用的場(chǎng)所不適應(yīng)。這也是某些紡織企業(yè)前期采用濾波設(shè)備后效果較差的主要原因。

無源濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯(lián)LC諧振電路，其諧振頻率設(shè)定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，使主次諧波大部分流入無源濾波器，從而達(dá)到濾波的目的［6］。其特點(diǎn)是處理容量大、針對(duì)性強(qiáng)，主要用于設(shè)備臺(tái)數(shù)少、諧波電流大（如大功率設(shè)備調(diào)速裝置）的場(chǎng)所。無源濾波器只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波，濾波參數(shù)會(huì)影響濾波性能，對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)載濾波效果不好。還可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)諧振，隨著低壓回路側(cè)諧波源的數(shù)量增加和諧波數(shù)值疊加，可能會(huì)引起濾波器的過載。紡織廠變頻器設(shè)備多，容量相對(duì)較小，生產(chǎn)中由于工藝參數(shù)不斷變化，變頻器調(diào)節(jié)頻繁，諧波的傳播和疊加過程復(fù)雜，諧波參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，會(huì)造成L/C參數(shù)無法調(diào)控和參數(shù)的離散化等，使無源濾波器諧振頻率精度下降，諧振點(diǎn)偏移，濾波效果變差。

因無源濾波器的L/C參數(shù)不可控、離散化，無法動(dòng)態(tài)調(diào)諧，不能滿足諧波動(dòng)態(tài)抑制要求；有源濾波器雖可以動(dòng)態(tài)抑制電壓諧波，但不能吸收諧波電流；并且現(xiàn)有濾波技術(shù)不具有吸收諧波電流和抑制諧波的雙重特性，對(duì)不同諧波源產(chǎn)生的諧波電流，須配置多臺(tái)濾波器進(jìn)行多點(diǎn)濾波才能有效抑制電網(wǎng)諧波，動(dòng)態(tài)濾波應(yīng)運(yùn)而生。

濾波動(dòng)態(tài)治理是實(shí)時(shí)檢測(cè)電力諧波與無功電流，實(shí)時(shí)跟蹤電力諧波變化態(tài)勢(shì)，動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁耦合能量和電能變換與基波/諧波變換效率，通過諧波智能控制系統(tǒng)控制基波電流與主次諧波電流關(guān)聯(lián)度、補(bǔ)償基波無功、控制諧波電流吸收率和節(jié)電效率的裝置［7］?？梢詫?shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)治理吸收諧波電流和抑制諧波電壓的同時(shí)，使配電室低壓側(cè)二次母排、基波電流有效值同步降低，從而在諧波動(dòng)態(tài)治理的同時(shí)達(dá)到節(jié)約電能的效果。適合于多機(jī)臺(tái)變頻器拖動(dòng)、中大容量、非線性負(fù)荷變化影響因素較多，對(duì)諧波電流治理要求較高的場(chǎng)所。該方法可以針對(duì)性濾除主次諧波，尤其對(duì)5次、7次等諧波電流的綜合濾波效果更佳。

通過對(duì)紡織廠的諧波檢測(cè)可知，影響紡織車間電網(wǎng)質(zhì)量的諧波主要是5次諧波，因此紡織車間采用動(dòng)態(tài)諧波治理較為合適。

3 諧波治理及經(jīng)濟(jì)效益

3.1 項(xiàng)目情況分析

本研究基于規(guī)模為20萬錠智能紡紗項(xiàng)目，設(shè)計(jì)為兩個(gè)車間，每個(gè)車間10萬錠，設(shè)備采用清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、筒紗自動(dòng)分揀打包系統(tǒng)，于2016年10月正式投產(chǎn)運(yùn)行。該廠在日常生產(chǎn)過程中，粗細(xì)聯(lián)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)無故停車，重新啟動(dòng)后運(yùn)行正常；絡(luò)筒機(jī)弱電系統(tǒng)線路板損壞故障較多；高、低壓配電系統(tǒng)中，每臺(tái)低壓變配電系統(tǒng)的主進(jìn)柜斷路器所顯示的低壓電流（有效值）和高壓配電后臺(tái)監(jiān)視系統(tǒng)所檢測(cè)到相對(duì)應(yīng)回路高壓電流（有效值），兩者換算后數(shù)值大小不一致，低壓電流普遍要明顯高于相對(duì)應(yīng)回路高壓電流換算值，隨機(jī)抄錄兩車間高低壓電流數(shù)據(jù)情況如表1所示（每個(gè)車間隨機(jī)抄錄4組數(shù)據(jù)）。

表1 車間變壓器高、低壓電流及倍值關(guān)系

在供電系統(tǒng)高壓側(cè)電壓10 kV、低壓側(cè)電壓0.4 kV的變比下，高、低壓電流有效值從理論上講應(yīng)該呈25倍的關(guān)系，但實(shí)際數(shù)值高于25倍。分析原因是低壓部分的電流含有需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流、電子設(shè)備如整流器、變頻器等所產(chǎn)生的諧波電流等造成，互感器的精度級(jí)別也可能造成一些偏差等。

通過采用電能質(zhì)量分析儀器，分別分析二車間2-1#號(hào)和2-6#變壓器二次側(cè)電力線路的電能質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行狀況。發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)變壓器低壓側(cè)電流波形畸變嚴(yán)重，諧波電流所占比例較高，對(duì)紡織車間影響最大的5次諧波電流，2-1#變壓器低壓側(cè)三相分別占到基波電流的18.5%，19.5%和27.7%；2-6#變壓器低壓側(cè)A相占到基波電流有效值的13.1%，諧波的有效治理迫在眉睫。

3.2 諧波治理

通過對(duì)低壓側(cè)諧波的特性分析，應(yīng)以治理5次、7次諧波為主要目的，設(shè)計(jì)專門的動(dòng)態(tài)諧波治理方案和設(shè)備，在兩臺(tái)變壓器低壓側(cè)，分別采用DTXB-A/B型動(dòng)態(tài)調(diào)諧無源濾波器進(jìn)行治理，于2018年11月和2019年6月投入運(yùn)行。設(shè)備并聯(lián)于低壓進(jìn)線柜母線上，切換方便，投入運(yùn)行后兩臺(tái)變壓器低壓側(cè)有效電流值和5次諧波電流值有效降低。以A相為例，治理前后兩臺(tái)變壓器低壓側(cè)有效電流值和諧波電流對(duì)比如表2所示。

表2 兩臺(tái)變壓器諧波治理前后效果對(duì)比表（A相）

由表2可以看出，兩臺(tái)變壓器低壓母線側(cè)5次諧波電流值平均下降57.3%和62.4%，低壓母線側(cè)有效電流降低7.8%和5.1%。母線上功率因數(shù)平均提高0.02以上，說明電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法不但吸收了諧波電流、降低了電流有效值，同時(shí)將吸收的諧波電流轉(zhuǎn)換成基波電流，使功率因數(shù)提高。高低壓電流倍值分別降低至26.72倍和25.96倍，減少了高壓側(cè)電流和高低壓電流變比值。諧波電流減少，電網(wǎng)質(zhì)量提高，低壓設(shè)備配件發(fā)熱降低，車間電子設(shè)備誤動(dòng)作現(xiàn)象減少，絡(luò)筒機(jī)弱電系統(tǒng)線路板損壞現(xiàn)象減少，電子清紗器工作效率提高，絡(luò)筒機(jī)平均工作效率提高1%～2%。母線上電流有效值的減少，就意味著電能消耗的減少，電能利用率提高。

3.3 節(jié)能效果分析

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證DTXB型諧波動(dòng)態(tài)治理裝置運(yùn)行過程中的節(jié)能效果，2021年我們采用交叉運(yùn)行抄表統(tǒng)計(jì)用電量的方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 諧波治理裝置投入或切斷運(yùn)行15天用電量比較 單位：kW·h

由表3可以看出，在兩個(gè)月內(nèi)諧波治理裝置隔日投入與切斷運(yùn)行，2-1#變壓器用電量節(jié)約8 644 kW·h，節(jié)電率為5.29%；2-6#變壓器用電量節(jié)約26 164 kW·h，節(jié)電率為3.39%。2-6#變壓器帶動(dòng)細(xì)紗、絡(luò)筒車間，用電負(fù)荷率高，諧波電流比值小。2-1#變壓器帶動(dòng)前紡車間，用電負(fù)荷率低，諧波電流比值大，治理后節(jié)能效果更佳。以2-1#變壓器為例，投入運(yùn)行可月節(jié)約電量8 644 kW·h，全年至少可節(jié)約103 728 kW·h，按0.65元/（kW·h）電價(jià)計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)約6.74萬元，僅按節(jié)約電費(fèi)計(jì)算，3年內(nèi)可收回改造成本。

4 結(jié)語

（1）現(xiàn)代新型紡織車間由于大量采用開關(guān)電源、變頻器調(diào)速設(shè)備，照明LED系統(tǒng)和非線性設(shè)備等，這些設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量諧波。諧波會(huì)污染電網(wǎng)供電環(huán)境，使電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，干擾控制信號(hào)，造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作甚至無故停車、電子清紗器誤切等，使生產(chǎn)效率下降。還會(huì)造成電力元器件發(fā)熱，產(chǎn)生額外能耗，甚至引發(fā)事故，需要引起高度重視并進(jìn)行治理。

（2）紡織車間電力諧波由多機(jī)臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生，在低壓側(cè)相互疊加而成，具有分散、不穩(wěn)定、形成的諧波電流大、難以治理的特點(diǎn)。宜采用通過諧波智能控制系統(tǒng)，控制基波電流與主次諧波電流關(guān)聯(lián)度、補(bǔ)償基波無功、控制吸收諧波電流的動(dòng)態(tài)治理方案。吸收諧波補(bǔ)償基波，降低母線有效電流值，在實(shí)現(xiàn)諧波治理，優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約能源。

（3）試驗(yàn)檢測(cè)證明，DTXB型諧波動(dòng)態(tài)治理裝置可有效治理紡織車間電力諧波，可吸收變壓器低壓母線側(cè)5次諧波電流50%以上，使低壓母線側(cè)電流有效值降低5%以上，實(shí)現(xiàn)車間節(jié)電3%以上的效果。低壓母線側(cè)諧波電流占基波電流比值越高，諧波治理效果越好，節(jié)電效果越明顯。