港口配電系統諧波分析及其治理措施

1引言

近年來(lái)電力電子技術(shù)以其節能、高效、便于操控的特點(diǎn)，在港口的配電系統中已經(jīng)廣泛的被應用，尤其是整流、變頻以及能量回饋等技術(shù)已經(jīng)大量應用于門(mén)機、集裝箱岸橋等機械設備。但是，這些新技術(shù)的使用不可避免的對港口的配電系統產(chǎn)生大量干擾，特別是諧波干擾已經(jīng)成為一個(gè)不可避免的問(wèn)題。某公司對配電系統進(jìn)行了電能質(zhì)量測試，從測試情況看，其中大部分重型設備都會(huì )向配電系統注入5次、7次等諧波。高次諧波對系統會(huì )產(chǎn)生各種危害，例如，變壓器過(guò)熱、噪音增大，電容器頻繁鼓肚、導致功率因數低，電纜發(fā)熱嚴重等。本文根據實(shí)際測試的結果，分析港口諧波源的特點(diǎn)，并提出相應的治理措施。

2、諧波概述

國標《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-93》對諧波(分量)的定義是：對周期性交流分量進(jìn)行傅立葉級數分解得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量?？傊C波畸變率(THD)作為衡量用電質(zhì)量的一個(gè)重要指標，它的定義是：周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比(用百分數表示)。電壓總諧波畸變率以THDu表示;電流總諧波畸變率以THDi表示。

3、諧波對港口配電系統的影響

(1)設備影響

諧波使配電系統遭到污染，這都可能影響繼電保護、計算機系統和精密機械或儀器正常的運行、操作，降低這些設備的使用壽命，甚至引起繼電保護誤動(dòng)作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害，特別是對感應型電能表的影響。相關(guān)研究表明，感應型電能表對2次以上的諧波有逐漸增大的衰減特性，達到9次時(shí)已衰減掉80%以上。

2)諧波污染對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)無(wú)功配置容量中電容器所占比例最大，其中用戶(hù)電容器約占全部電容器的2/3。這部分電容器的設計大多只考慮無(wú)功補償量，不考慮裝設點(diǎn)電能質(zhì)量的實(shí)際污染情況，因此，運行點(diǎn)電能質(zhì)量指標低時(shí)，常造成一些事故，如補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷，甚至發(fā)生串并聯(lián)諧振，引發(fā)電容器的諧波過(guò)電壓與過(guò)電流，導致電容器爆炸等。用戶(hù)電容器的管理仍按平均功率因數進(jìn)行考核，由于存在諧波，還會(huì )對功率因數產(chǎn)生影響，一般的，設備的輸入功率因數：

從該式可以看出，當電流、電壓發(fā)生畸變時(shí)，其功率因數會(huì )隨著(zhù)減小。

4、港口測量數據分析

下面是某公司對港口辦公區配電系統的測試結果分析。

圖1所示為測量點(diǎn)電流波形圖以及電流THDi值。該圖中由于受負載影響，電流波形畸變很?chē)乐?，這是電流在正弦波形情況下疊加了各種諧波導致的，從該諧波表格可以詳細看到各次諧波含有率，由于港口有大量變頻器負載，導致配電系統中5次、7次、11次諧波含量過(guò)高。

圖1電流波形圖以及電流THDi值

圖2所示為電壓波形及其諧波表格。電壓出現畸變，主要原因是畸變的電流在線(xiàn)路諧波阻抗上產(chǎn)生的，由于電流畸變十分嚴重，當畸變的電流流經(jīng)線(xiàn)路阻抗時(shí)，會(huì )產(chǎn)生畸變的電壓降，根據基爾霍夫電壓定律可知，在該配電系統上的其他設備也必定是連接到畸變的電壓上，從而受到嚴重影響。

圖2電壓波形圖以及電流THDi值

圖3所示為該港口門(mén)機工作時(shí)無(wú)功需求趨勢圖以及辦公區電能情況。從圖3中可以看到，這些設備在空載和負重時(shí)所需無(wú)功差別大，變化快。左圖可以看到，在門(mén)機工作時(shí)，每隔1分鐘左右就會(huì )有一次很大的無(wú)功需求，傳統無(wú)功柜采用接觸器切投，功率因數控制器(RVC)控制。RVC會(huì )設置相應的步進(jìn)切投時(shí)間，一般時(shí)間設置會(huì )在10s到40s之間，例如ABB低壓RVC步進(jìn)切投時(shí)間默認為40s，切投時(shí)間太長(cháng)跟不上負載無(wú)功需求，切投時(shí)間太短會(huì )導致接觸器、電容器等元件老化加速。跟據這一特性可知，傳統的無(wú)功補償無(wú)法跟蹤快速變化的負載無(wú)功需求，這會(huì )導致功率因素數一直很低。功率因數受諧波和快速變化的負載影響，要投入更大的無(wú)功補償或更換新的無(wú)功補償設備，各種成本也會(huì )隨之上升。

如圖4所示，受諧波影響，功率因數普遍不高，平均僅為0.84。

圖3港口門(mén)機工作時(shí)無(wú)功需求趨勢圖、功率和電能

由以上分析可知，功率因數受到諧波的影響，根據公式

利用計算機仿真可以看出當PF=0.84，THDu=5%時(shí)，THDi高達60%。

圖4PF受THDi影響下降曲線(xiàn)

如圖5所示，由于存在諧波，變壓器阻抗為

，電容器阻抗為

當系統諧波較大時(shí)，變壓器阻抗會(huì )變大，而電容器阻抗變小，大量諧波流入無(wú)功柜，并且在某一頻次時(shí)甚至發(fā)生諧振，這些現象時(shí)刻威脅港口配電系統的穩定運行。

圖5 存在諧波情況下系統阻抗示意圖

5 、諧波治理方案

5.1方案分析

經(jīng)過(guò)以上分析，該配電系統電能質(zhì)量基本可以概括了解。港口的機械設備使用大量電力電子器件，產(chǎn)生大量諧波，機械設備在運行時(shí)，無(wú)功需求差別大，變化快，致使傳統無(wú)功柜無(wú)法及時(shí)補償。當系統存在諧波時(shí)，無(wú)功柜過(guò)補會(huì )導致諧波被放大，嚴重時(shí)甚至發(fā)生諧振，直接使變壓器過(guò)載，開(kāi)關(guān)柜跳閘。

根據國標GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)規定，以及2008年5月1日起正式頒發(fā)實(shí)施的《江蘇省電力保護條例》第二十八條規定，對有下列情形之一，嚴重影響電力安全的用戶(hù)，供電企業(yè)可以中斷供電：“(一)用戶(hù)的非線(xiàn)性阻抗特性的用電設備接入電網(wǎng)運行所注入電網(wǎng)的諧波電流或者引起公共連接點(diǎn)電壓正弦畸變率超過(guò)國家規定標準時(shí)，在供電企業(yè)通知后，用戶(hù)不予改正的;(二)用戶(hù)的沖擊負荷、波動(dòng)負荷、非對稱(chēng)負荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或者對安全運行構成干擾、妨礙，在供電企業(yè)通知后，用戶(hù)不予改正的”諧波無(wú)論對電力系統還是對用戶(hù)的用電設備都造成了很大影響，根據相關(guān)規定，建議對該配電系統進(jìn)行諧波治理。

5.2諧波治理的主要方式

目前抑制諧波干擾方法主要分為無(wú)源治理方式和有源治理方式，下面對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

5.2.1無(wú)源諧波濾除裝置

無(wú)源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯(lián)起來(lái)，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點(diǎn)上，達到濾除這幾次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，因為其頻率的固有限制，諧振頻率設定得不好，極易與系統產(chǎn)生諧振，導致諧波電流成倍激增，損害對電能質(zhì)量要求比較高的精密儀器和設備?，F在，市場(chǎng)上流通較多的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶(hù)容易接受，但是濾波的效果很差。由于我國的中小企業(yè)大多數是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿意增加的經(jīng)費來(lái)治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規的無(wú)功補償不能湊效，供電部門(mén)對無(wú)功的要求又十分嚴格，達不到就要罰款。所以導致很多企業(yè)只重視無(wú)功補償，耗費大量資金用于因諧波導致無(wú)功補償無(wú)法使用的故障上，雖然一次投入成本較低，但是經(jīng)年累月的更換維護成本會(huì )成倍增長(cháng)，屬于治標不治本。

①只能抑制固定的幾次諧波，并且對某次諧波在一定條件下會(huì )產(chǎn)生諧振而使諧波放大，引起其他事故;

②只能補償固定的無(wú)功功率，對變化的無(wú)功負載不能進(jìn)行精確補償;

③其濾波特性依賴(lài)于電源阻抗，受系統參數影響較大，并且其濾波特性有時(shí)很難與調壓要求相協(xié)調;

④由于對其中的元件參數和可靠性要求較高，且不能隨時(shí)間和外界環(huán)境變化，故對無(wú)源濾波器的制造工藝要求也很高;

⑤對系統負荷變化較大的情況，不宜采用;

⑥重量與體積較大。

5.2.2有源諧波濾除裝置

有源諧波濾除裝置是在無(wú)源濾波的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它的濾波效果好，在其額定的無(wú)功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個(gè)和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。其制作也較之無(wú)源濾波裝置復雜得多，一次投入成本也就比無(wú)源濾波稍高。其主要的應用范圍是計算機控制的供電系統，尤其是寫(xiě)字樓的供電系統、工廠(chǎng)的計算機控制供電系統?，F今由于諧波已經(jīng)對電力系統造成很大的危害，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始關(guān)注治理諧波，對有源濾波裝置達到了很高的認可。如圖6所示為并聯(lián)有源濾波器結構。

圖6 并聯(lián)有源濾波器結構