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電能質量概述講解（五）：發電廠諧波概述
電能質量概述講解（五）：發電廠諧波概述
5.1 諧波源
1）發電機出口
發電機實際運行時，磁極磁場并非按正弦分布，所以感應電勢也不是正弦波形，含有一定諧波成分，因此發電機的輸出電壓本身就有一定的諧波，正常設計的發電機，由于采用了許多消弱諧波電勢的措施，其電勢諧波含量是很小的。
發電機勵磁電流中含有一定2倍頻率分量時，就能使發電機在定子電流中產生5次諧波電流；與電廠相連接的電網系統中含有諧波分量時，通過不同電壓等級間的滲透，可使發電機機端具有一定的諧波含量，例如1998年長山熱電廠在#6～#9發電機出口檢出5次諧波，含量為1.3%～1.5%。
2）廠用6kV變頻設備
電廠發出電能的相當一部份在電廠內消耗掉，是一個用電大戶，通常的廠用電率在4%～8%，具有負荷重要程度高、集中度高的特點。隨著大功率高壓電動機變頻改造，例如凝泵、一次風機等，使廠用電系統受到諧波污染的可能性和程度不斷增加，雖然從原理上目前大部分高壓變頻器采用隔離變壓器、多脈沖整流等降低低次諧波的技術措施，努力使變頻器諧波降至最小，但其實際效果仍需驗證；廠用變壓器在非線性區運行時，會產生諧波，污染廠用電系統；燃機發電機的變頻調速裝置，在發電機起機過程中，會產生較大分量的諧波；不間斷電源裝置，工作原理是整流-逆變的過程，會產生一定數量的諧波。
廠用電諧波監測，對電廠設備安全穩定運行來講，非常重要。
3）廠用400V變頻及整流設備
空冷機組大量采用400V變頻器，會產生諧波；電除塵器采用的整流變也是諧波源之一。
5.2 變頻裝置的諧波分析
變頻器有3種不同的結構方式：
（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環節上進行，兩者要在控制電路上協調配合；
（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環節用斬波器，用脈寬調壓；
（3）用不控整流器整流，用PWM 逆變器變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件（如IGBT 等），輸出波形才會非常逼近正弦波。無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式都不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發生畸變，經傅立葉（M .Fourier）級數分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7、9 等為奇次諧波，而2、4、6、8 等為偶次諧波，如基波為50Hz 時，2 次諧波為100Hz，3 次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、9、11、13、17、19 等，變頻器主要產生5、7 次諧波。
5.3 6kV變頻設備的諧波水平
廠用電動機（泵）變頻改造后，為評估變頻電源對廠用電諧波污染的情況，部分廠在變頻改造后，對6kV廠用進行了電進行了諧波測試，變頻改造設備、變頻器廠家及產品型號、測試內容如下表所示。
表、變頻改造及諧波測試情況
電廠 | 變頻改造電機 | 變頻器型號/廠家 | 諧波測試內容 |
上安 | #3機組凝結水泵 額定功率800kW | 利德華福/HARVERT-A06/105 | ①凝結泵A/B變頻運行時，機組不同負荷時6kV母線諧波電壓及變頻器注入6kV母線的諧波電流。 ②凝結泵A/B變頻啟動及運行時，變頻器輸出電壓和電流波形測量 |
井岡山 | 凝結水泵 1000kW/6kV | 北京新電創拓科技有限公司 Diamond-HV6000V/1250KVA | #1、#2機組6kV母線諧波電壓，各測試一段 |
邯峰 | 凝結水泵 2600kW/6kV 一次風機 | 利德華福 HARSVERT—A06/300 | #1、#2機組各4個6kV段母線相電壓諧波、相電流諧波、三相不平衡度 |
楊柳青 | ＃5爐吸風機 1600 kW | 東方日立（DHC）電控設備有限公司 | 6kV A、B段母線線電壓諧波，6kV A、B段母線總開關電流諧波 |
諧波含量情況如下：
1）上安：
#3發電機滿負荷(300MW)運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.25A，第5次諧波電流含量0.38A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.47%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量1.22A，第5次諧波電流含量1.33A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.49%。
#3發電機負荷235MW運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.38A，第5次諧波電流含量0.38A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.48%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量0.53A，第5次諧波電流含量1.04A， 6kV B母線電壓總諧波畸變率0.48%。
#3發電機低負荷（162MW）運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.41A，第5次諧波電流含量0.28A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.46%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量0.71A，第5次諧波電流含量0.78A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.47%。
測試表明，為凝結水泵A 供電的變頻器，產生的諧波電流較小，對6kV 母線電壓的總諧波畸變率基本沒有產生影響，6kV 母線電壓總諧波畸變率僅為0.49%，遠小于4%的國家標準。其他電能質量參數：電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度等基本沒有因變頻器的使用而產生變化，都符合相關國家標準。
2）井岡山
#1機6kV廠用電電壓總諧波畸變率0.346%，最大電壓諧波為5次諧波，實測值0.246%；#2機6kV廠用電電壓總諧波畸變率0.527%，最大電壓諧波為5次諧波，實測值0.208%，以上實測發廠用電母線諧波電壓、電流均在標準要求范圍內。
3）邯峰
對#1機組6kV A、B、C、D段和#2機組6kV A、B、C、D段母線諧波電壓和諧波電流進行了測試，其中，#1機組6kV A段和#2機組6kV C段測試結果如下，
#1機組6kV A段：
諧波電壓總畸變率（％） | A相 | B相 | C相 | ||
0.30 | 0.32 | 0.32 | |||
基波電壓和主要次電壓 諧波含有率（95%） | 次數 | A相（%） | B相（%） | C相（%） | |
H1 | 3.523kV | 3.520kV | 3.522kV | ||
H3 | 0.13 | 0.17 | 0.07 | ||
H5 | 0.19 | 0.22 | 0.26 | ||
諧波電流總畸變率（％） | A相 | B相 | C相 | ||
1.15 | 1.07 | 0.69 | |||
基波電流和主要次電流值（95%） | 次數 | A相 | B相 | C相 | |
H1 | 915.6 | 901.2 | 903.7 | ||
H3 | 8.39 | 8.76 | 1.47 | ||
H5 | 5.21 | 3.47 | 4.99 | ||
#2機組6kV C段：
諧波電壓總畸變率（％） | A相 | B相 | C相 | |
0.33 | 0.35 | 0.37 | ||
基波電壓和主要次電壓諧波含有率（95%） | 次數 | A相（%） | B相（%） | C相（%） |
H=1 | 3.650kV | 3.637kV | 3.635kV | |
H=3 | 0.08 | 0.16 | 0.08 | |
H=5 | 0.25 | 0.24 | 0.31 | |
諧波電流總畸變率（％） | A相 | B相 | C相 | |
1.70 | 1.99 | 1.87 | ||
基波電流和主要次電流值（95%） | 次數 | A相 | B相(A) | C相(A) |
H=1 | 300.1 | 291.4 | 292.3 | |
H=3 | 1.40 | 2.60 | 2.69 | |
H=5 | 3.22 | 3.86 | 2.92 | |
測試時段內邯峰發電有限責任公司1號機組4個6kV段A、B、C三相電壓總畸變率均符合國標(4.0%)要求；邯峰發電有限責任公司2號機組4個6kV段A、B、C三相電壓總畸變率均符合國標(4.0%)要求.
4）楊柳青
正常運行方式下進行測試，測試1-25次諧波電壓和諧波電流，主要數據如下，
諧波 | 6kV A 段 | 6kV B 段 | ||||
A-B | B-C | A-B | B-C | |||
總諧波電壓畸變率（%） | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | ||
3次諧波 | 0.186 | 0.194 | 0.178 | 0.174 | ||
5次諧波 | 0.174 | 0.109 | 0.112 | 0.082 | ||
7次諧波 | 0.114 | 0.141 | 0.097 | 0.133 | ||
諧波電流含量較大的分別為3次、5次、7次和11次諧波，數據如下，
諧波 | 6kV A段 (A) | 6kV B段 (A) | ||||
A | B | C | A | B | C | |
基波 | 271.843 | 274.147 | 272.425 | 547.757 | 546.613 | 533.205 |
3次諧波 | 3.019 | 4.822 | 2.910 | 4.068 | 7.022 | 4.488 |
5次諧波 | 2.780 | 3.463 | 3.211 | 6.143 | 6.505 | 6.159 |
7次諧波 | 2.589 | 2.948 | 2.922 | 3.289 | 3.508 | 3.734 |
11次諧波 | 1.122 | 1.115 | 1.156 | 1.122 | 1.110 | 1.077 |
正常運行方式下6kV A、B段母線電壓諧波總畸變率和諧波電流均符合標準要求。
可以看到，采用多相脈沖整流是變頻電源消除諧波的有效途徑，目前，6kV高壓變頻器全部采用多脈沖整流的方式消除諧波，例如，利德華福公司，HARSVERT-A系列變頻器，采用36脈沖整流，理論上不產生35次以下諧波；艾帕公司，Innovert系列變頻器，采用30脈沖整流，理論上不產生29次以下諧波；羅賓康公司，無諧波系列變頻器，采用30脈沖整流，理論上不產生29次以下諧波，日立公司，DHC型號變頻器，采用48脈沖整流，理論上不產生47次及以下諧波。從4.3.2中，可以看上安等電廠，變頻改造后變頻器輸出及廠用6kV段母線，電壓、電流諧波均在標準要求的合格范圍內，驗證了高壓變頻器具有較好的抑制諧波特性。
