港口配电系统谐波分析及其治理措施

1 引言

近年来电力电子技术以其节能、高效、便于操控的特点，在港口的配电系统中已经广泛的被应用，尤其是整流、变频以及能量回馈等技术已经大量应用于门机、集装箱岸桥等机械设备。但是，这些新技术的使用不可避免的对港口的配电系统产生大量干扰，特别是谐波干扰已经成为一个不可避免的问题。某公司对配电系统进行了电能质量测试，从测试情况看，其中大部分重型设备都会向配电系统注入5次、7次等谐波。高次谐波对系统会产生各种危害，例如，变压器过热、噪音增大，电容器频繁鼓肚、导致功率因数低，电缆发热严重等。本文根据实际测试的结果，分析港口谐波源的特点，并提出相应的治理措施。
2、谐波概述

国标《电能质量 公用电网谐波GB/T 14549-93》对谐波（分量）的定义是：对周期性交流分量进行傅立叶级数分解得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。总谐波畸变率(THD)作为衡量用电质量的一个重要指标，它的定义是：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDu表示；电流总谐波畸变率以THDi表示。
3、谐波对港口配电系统的影响

（1）设备影响

谐波使配电系统遭到污染，这都可能影响继电保护、计算机系统和精密机械或仪器正常的运行、操作，降低这些设备的使用寿命，甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故，造成不同程度的影响和损害，特别是对感应型电能表的影响。相关研究表明，感应型电能表对2次以上的谐波有逐渐增大的衰减特性，达到9次时已衰减掉80％以上。
（2）谐波污染对电网的影响
电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况，因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。用户电容器的管理仍按平均功率因数进行考核，由于存在谐波，还会对功率因数产生影响，一般的，设备的输入功率因数：。从该式可以看出，当电流、电压发生畸变时，其功率因数会随着减小。
4 、港口测量数据分析

下面是某公司对港口办公区配电系统的测试结果分析。
图1所示为测量点电流波形图以及电流THDi值。该图中由于受负载影响，电流波形畸变很严重，这是电流在正弦波形情况下叠加了各种谐波导致的，从该谐波表格可以详细看到各次谐波含有率，由于港口有大量变频器负载，导致配电系统中5次、7次、11次谐波含量过高。


图2所示为电压波形及其谐波表格。电压出现畸变，主要原因是畸变的电流在线路谐波阻抗上产生的，由于电流畸变十分严重，当畸变的电流流经线路阻抗时，会产生畸变的电压降，根据基尔霍夫电压定律可知，在该配电系统上的其他设备也必定是连接到畸变的电压上，从而受到严重影响。


图3所示为该港口门机工作时无功需求趋势图以及办公区电能情况。从图3中可以看到，这些设备在空载和负重时所需无功差别大，变化快。左图可以看到，在门机工作时，每隔1分钟左右就会有一次很大的无功需求，传统无功柜采用接触器切投，功率因数控制器(RVC)控制。RVC会设置相应的步进切投时间，一般时间设置会在10s到40s之间，例如ABB低压RVC步进切投时间默认为40s，切投时间太长跟不上负载无功需求，切投时间太短会导致接触器、电容器等元件老化加速。跟据这一特性可知，传统的无功补偿无法跟踪快速变化的负载无功需求，这会导致功率因素数一直很低。功率因数受谐波和快速变化的负载影响，要投入更大的无功补偿或更换新的无功补偿设备，各种成本也会随之上升。
如图4所示，受谐波影响，功率因数普遍不高，平均仅为0.84。


由以上分析可知，功率因数受到谐波的影响，根据公式，利用计算机仿真可以看出当PF=0.84，THDu=5%时，THDi高达60%。


如图5所示，由于存在谐波，变压器阻抗为，电容器阻抗为，当系统谐波较大时，变压器阻抗会变大，而电容器阻抗变小，大量谐波流入无功柜，并且在某一频次时甚至发生谐振，这些现象时刻威胁港口配电系统的稳定运行。


5 、谐波治理方案

5.1方案分析

经过以上分析，该配电系统电能质量基本可以概括了解。港口的机械设备使用大量电力电子器件，产生大量谐波，机械设备在运行时，无功需求差别大，变化快，致使传统无功柜无法及时补偿。当系统存在谐波时，无功柜过补会导致谐波被放大，严重时甚至发生谐振，直接使变压器过载，开关柜跳闸。
根据国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定，以及2008年5月1日起正式颁发实施的《江苏省电力保护条例》第二十八条规定，对有下列情形之一，严重影响电力安全的用户，供电企业可以中断供电：“（一）用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流或者引起公共连接点电压正弦畸变率超过国家规定标准时，在供电企业通知后，用户不予改正的；（二）用户的冲击负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或者对安全运行构成干扰、妨碍，在供电企业通知后，用户不予改正的”谐波无论对电力系统还是对用户的用电设备都造成了很大影响，根据相关规定，建议对该配电系统进行谐波治理。
5.2谐波治理的主要方式

目前抑制谐波干扰方法主要分为无源治理方式和有源治理方式，下面对其优缺点进行分析。

5.2.1无源谐波滤除装置

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这几次谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，因为其频率的固有限制，谐振频率设定得不好，极易与系统产生谐振，导致谐波电流成倍激增，损害对电能质量要求比较高的精密仪器和设备。现在，市场上流通较多的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受，但是滤波的效果很差。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意增加的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又十分严格，达不到就要罚款。所以导致很多企业只重视无功补偿，耗费大量资金用于因谐波导致无功补偿无法使用的故障上，虽然一次投入成本较低，但是经年累月的更换维护成本会成倍增长，属于治标不治本。
①只能抑制固定的几次谐波，并且对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，引起其他事故；
②只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；
③其滤波特性依赖于电源阻抗，受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调；
④由于对其中的元件参数和可靠性要求较高，且不能随时间和外界环境变化，故对无源滤波器的制造工艺要求也很高；
⑤对系统负荷变化较大的情况，不宜采用；
⑥重量与体积较大。
5.2.2有源谐波滤除装置

有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。其制作也较之无源滤波装置复杂得多，一次投入成本也就比无源滤波稍高。其主要的应用范围是计算机控制的供电系统，尤其是写字楼的供电系统、工厂的计算机控制供电系统。现今由于谐波已经对电力系统造成很大的危害，越来越多的企业开始关注治理谐波，对有源滤波装置达到了很高的认可。如图6所示为并联有源滤波器结构。


5.3 有源滤波器的合理安装

综上所述，有源电力滤波器是谐波治理的理想的配套设备。有源电力滤波器安装时需要考虑安装的物理位置和逻辑位置，物理位置需要考虑安装点所预留的空间尺寸。一般新建项目时建议把有源电力滤波器安装在无功柜下端，与其他电气柜的柜型颜色保持一致。对于后期改造项目，一般没有预留位置时，可放置在距离安装点最近的安装，同时兼顾配电房整体布局美观。在该项目中，有源电力滤波器安装在配电柜最末端，柜型尺寸与其他电气柜保持一致。
逻辑位置是指有源电力滤波器与其他供电系统中的电气柜之间的安装位置关系。如图7所示。根据电容的特性可知，高频电流更容易流入电容。当有源电力滤波器逻辑位置在电容柜之前（更靠近变压器端）安装时，高频电流更多的流入电容柜，而有源电力滤波器只能滤除一小部分。并且若无功柜阻抗更小时，有源电力滤波器发出的反向谐波也会流入无功柜，因此，有源电力滤波器逻辑位置要在电容柜下端。这样既可以滤除谐波，在无功需求变化迅速的时候，有源电力滤波器可以迅速跟踪补偿快速变化的部分无功需求，达到治理谐波，同时保护无功柜的目的。

根据以上分析结果，港口有源电力滤波器安装在电气柜末端，并以电缆并联到系统中。如图8所示为有源电力滤波器安装位置。


5.4设备选型
依据实际测量掌握的情况，参照以下公式（1）（2）（3）：

其中:为谐波总电流；为基波电流有效值；为全波电流有效值；总谐波电流畸变率。由于实际测量时全波电流是比较容易测量和观察的，而且在计算谐波电流时，用全波电流计算和基波电流计算差别不大（见式（3）），因此可以用全波电流进行估算。
根据上述式子可以计算出各条配电系统所需补偿的谐波电流。根据谐波电流，选择所需有源电力滤波器的容量。如表1所示为谐波电流含量。

	配电系统
A相	B相	C相
THDi(%)	21.30	25.00	28.00
全波电流	242	250	227
谐波电流	51.5	62.5	63.6

根据计算得出的数据，可以选择相应容量的有源电力滤波器。有源电力滤波器在进行电能治理的时候，可以同时治理谐波、补偿无功和三相不平衡电流。由上述分析可知，港口的负载对无功的需求变化比较快，而导致功率因数较低，有源电力滤波器可以对这部分快速变化的无功进行跟踪补偿，配合原有的无功柜使用，可以大幅降低改造费用，达到一个很好的补偿无功的效果。由于有源电力滤波器是同时发出无功电流和谐波电流的，所以在选择有源滤波器的时候，为了使滤波效果明显并且兼补无功，可以选择比测量值大一些滤波器。在这里推荐选择可以补偿75A谐波的有源电力滤波器ANAPF75-380/BGC，对该场所进行补偿。图9所示为有源电力滤波器安装示意图。


5.5治理效果

对该配电系统进行实际测试后，安装一台有源电力滤波器ANAPF75-380/BGC，在运行后进行测量对比发现，治理效果已经明显，电流波形由原先毛刺很大变为光滑的正弦波形，N线电流也由未治理前的43A降到10A。THDi由未治理前的21.3%、25.0%、28.0%降到2.6%、2.6%、2.6%。功率因数也由治理之前的0.85上升到1.00，完美解决了供电系统中的谐波、不平衡和功率因低等问题。治理效果对比如图10。


6、结束语

尽管谐波造成危害以各种现象表现出来，但是导致这些危害的根本原因是谐波电流。即非线性设备工作时，向电网发射的谐波电流。因此，无论谐波治理的最终目的是什么，其本质就是减小负载(可能是一组负载)向电网注入的谐波电流，也就是使电流波形尽量畸变小，因为谐波电流是谐波问题的根源，虽然在有些场合谐波治理的目标是保证电网的电压畸变率满足国家标准，但是最终仍然落实到谐波电流的控制上。
谐波治理的最佳位置是在非线性负载的电源入口，这样相当于将非线性负载转变成了线性负载，谐波导致的一切问题都迎刃而解。由于消除了谐波源，原来的配电系统就像工作在传统的线性负载条件下，没有任何隐患。对于设计人员来说，由于进行了谐波治理，无论进行配电系统的设计，还是进行制造系统的设计，都可以按照传统的规范进行设计，而不用考虑谐波带来的种种风险。大部分发达国家按照这个策略开展谐波治理。达到这个目的的管理措施在采购设备时，提出满足GB17625标准。
虽然在非线性负载的电源入线端治理谐波是最佳方案，但是这种方案可能成本较高，根据实际系统情况，可以采用灵活的方案。通常，可以将就地谐波治理与部分谐波治理结合起来，构成一个性价比高的方案。对于功率较大的谐波源负载(例如变频器等)，采用有源滤波器进行就地谐波治理，可减小向电网注入的谐波电流。对于功率较小，比较分散的非线性负载，在母线上统一治理。在设计方案时，可以根据配电系统具体情况进行设计，以期达到一个完美的谐波治理效果。