港口配電系統(tǒng)諧波分析及其治理措施

1引言

近年來電力電子技術(shù)以其節(jié)能、高效、便于操控的特點(diǎn)，在港口的配電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用，尤其是整流、變頻以及能量回饋等技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于門機(jī)、集裝箱岸橋等機(jī)械設(shè)備。但是，這些新技術(shù)的使用不可避免的對(duì)港口的配電系統(tǒng)產(chǎn)生大量干擾，特別是諧波干擾已經(jīng)成為一個(gè)不可避免的問題。某公司對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試，從測(cè)試情況看，其中大部分重型設(shè)備都會(huì)向配電系統(tǒng)注入5次、7次等諧波。高次諧波對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種危害，例如，變壓器過熱、噪音增大，電容器頻繁鼓肚、導(dǎo)致功率因數(shù)低，電纜發(fā)熱嚴(yán)重等。本文根據(jù)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果，分析港口諧波源的特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的治理措施。

2、諧波概述

國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-93》對(duì)諧波(分量)的定義是：對(duì)周期性交流分量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)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(biāo)，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?jǐn)?shù)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(duì)港口配電系統(tǒng)的影響

(1)設(shè)備影響

諧波使配電系統(tǒng)遭到污染，這都可能影響繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和精密機(jī)械或儀器正常的運(yùn)行、操作，降低這些設(shè)備的使用壽命，甚至引起繼電保護(hù)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(duì)感應(yīng)型電能表的影響。相關(guān)研究表明，感應(yīng)型電能表對(duì)2次以上的諧波有逐漸增大的衰減特性，達(dá)到9次時(shí)已衰減掉80%以上。

2)諧波污染對(duì)電網(wǎng)的影響

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

從該式可以看出，當(dāng)電流、電壓發(fā)生畸變時(shí)，其功率因數(shù)會(huì)隨著減小。

4、港口測(cè)量數(shù)據(jù)分析

下面是某公司對(duì)港口辦公區(qū)配電系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果分析。

圖1所示為測(cè)量點(diǎn)電流波形圖以及電流THDi值。該圖中由于受負(fù)載影響，電流波形畸變很嚴(yán)重，這是電流在正弦波形情況下疊加了各種諧波導(dǎo)致的，從該諧波表格可以詳細(xì)看到各次諧波含有率，由于港口有大量變頻器負(fù)載，導(dǎo)致配電系統(tǒng)中5次、7次、11次諧波含量過高。

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(xiàn)畸變，主要原因是畸變的電流在線路諧波阻抗上產(chǎn)生的，由于電流畸變十分嚴(yán)重，當(dāng)畸變的電流流經(jīng)線路阻抗時(shí)，會(huì)產(chǎn)生畸變的電壓降，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可知，在該配電系統(tǒng)上的其他設(shè)備也必定是連接到畸變的電壓上，從而受到嚴(yán)重影響。

圖2電壓波形圖以及電流THDi值

圖3所示為該港口門機(jī)工作時(shí)無功需求趨勢(shì)圖以及辦公區(qū)電能情況。從圖3中可以看到，這些設(shè)備在空載和負(fù)重時(shí)所需無功差別大，變化快。左圖可以看到，在門機(jī)工作時(shí)，每隔1分鐘左右就會(huì)有一次很大的無功需求，傳統(tǒng)無功柜采用接觸器切投，功率因數(shù)控制器(RVC)控制。RVC會(huì)設(shè)置相應(yīng)的步進(jìn)切投時(shí)間，一般時(shí)間設(shè)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(rèn)為40s，切投時(shí)間太長(zhǎng)跟不上負(fù)載無功需求，切投時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致接觸器、電容器等元件老化加速。跟據(jù)這一特性可知，傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償無法跟蹤快速變化的負(fù)載無功需求，這會(huì)導(dǎo)致功率因素?cái)?shù)一直很低。功率因數(shù)受諧波和快速變化的負(fù)載影響，要投入更大的無功補(bǔ)償或更換新的無功補(bǔ)償設(shè)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(shù)普遍不高，平均僅為0.84。

圖3港口門機(jī)工作時(shí)無功需求趨勢(shì)圖、功率和電能

由以上分析可知，功率因數(shù)受到諧波的影響，根據(jù)公式

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

圖4PF受THDi影響下降曲線

如圖5所示，由于存在諧波，變壓器阻抗為

，電容器阻抗為

當(dāng)系統(tǒng)諧波較大時(shí)，變壓器阻抗會(huì)變大，而電容器阻抗變小，大量諧波流入無功柜，并且在某一頻次時(shí)甚至發(fā)生諧振，這些現(xiàn)象時(shí)刻威脅港口配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 存在諧波情況下系統(tǒng)阻抗示意圖

5 、諧波治理方案

5.1方案分析

經(jīng)過以上分析，該配電系統(tǒng)電能質(zhì)量基本可以概括了解。港口的機(jī)械設(shè)備使用大量電力電子器件，產(chǎn)生大量諧波，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，無功需求差別大，變化快，致使傳統(tǒng)無功柜無法及時(shí)補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)存在諧波時(shí)，無功柜過補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致諧波被放大，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生諧振，直接使變壓器過載，開關(guān)柜跳閘。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)規(guī)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(hù)條例》第二十八條規(guī)定，對(duì)有下列情形之一，嚴(yán)重影響電力安全的用戶，供電企業(yè)可以中斷供電：“(一)用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)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國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在供電企業(yè)通知后，用戶不予改正的;(二)用戶的沖擊負(fù)荷、波動(dòng)負(fù)荷、非對(duì)稱負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或者對(duì)安全運(yùn)行構(gòu)成干擾、妨礙，在供電企業(yè)通知后，用戶不予改正的”諧波無論對(duì)電力系統(tǒng)還是對(duì)用戶的用電設(shè)備都造成了很大影響，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，建議對(duì)該配電系統(tǒng)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源治理方式和有源治理方式，下面對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

5.2.1無源諧波濾除裝置

無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設(shè)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(dá)到濾除這幾次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，因?yàn)槠漕l率的固有限制，諧振頻率設(shè)定得不好，極易與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致諧波電流成倍激增，損害對(duì)電能質(zhì)量要求比較高的精密儀器和設(shè)備?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上流通較多的濾波方法就是這一種，主要是因?yàn)榈统杀?，用戶容易接受，但是濾波的效果很差。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對(duì)諧波的危害認(rèn)識(shí)不足，一般不愿意增加的經(jīng)費(fèi)來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補(bǔ)償不能湊效，供電部門對(duì)無功的要求又十分嚴(yán)格，達(dá)不到就要罰款。所以導(dǎo)致很多企業(yè)只重視無功補(bǔ)償，耗費(fèi)大量資金用于因諧波導(dǎo)致無功補(bǔ)償無法使用的故障上，雖然一次投入成本較低，但是經(jīng)年累月的更換維護(hù)成本會(huì)成倍增長(zhǎng)，屬于治標(biāo)不治本。

①只能抑制固定的幾次諧波，并且對(duì)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(bǔ)償固定的無功功率，對(duì)變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償;

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

④由于對(duì)其中的元件參數(shù)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(duì)無源濾波器的制造工藝要求也很高;

⑤對(duì)系統(tǒng)負(fù)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源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，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(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。其制作也較之無源濾波裝置復(fù)雜得多，一次投入成本也就比無源濾波稍高。其主要的應(yīng)用范圍是計(jì)算機(jī)控制的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)、工廠的計(jì)算機(jī)控制供電系統(tǒng)。現(xiàn)今由于諧波已經(jīng)對(duì)電力系統(tǒng)造成很大的危害，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注治理諧波，對(duì)有源濾波裝置達(dá)到了很高的認(rèn)可。如圖6所示為并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)。

圖6 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)