消除諧波電流與節(jié)電的關(guān)系

1、消除諧波電流與節(jié)電的關(guān)系摘要：諧波的問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注，諧波治理得到越來(lái)越高的重視。 但是，現(xiàn) 在有一個(gè)十分困惑的問(wèn)題，就是治理諧波與節(jié)電的關(guān)系。一些從事諧波治理的公 司利用企業(yè)渴望節(jié)電的心理，毫無(wú)根據(jù)地夸大諧波治理的節(jié)電效果， 更加重了問(wèn) 題的混亂。本文首先提出分析節(jié)電潛能的方法，然后從電費(fèi)支出角度分析了治理 諧波能夠節(jié)電的可能性。通過(guò)分析不同配電系統(tǒng)中諧波電流造成的電能浪費(fèi)，預(yù)測(cè)了諧波治理的最大潛在節(jié)電收益，指出并非任何諧波治理方法都能夠獲得預(yù)期 的節(jié)電效果，只有能夠消除配電線(xiàn)路上的諧波電流的方法才能夠獲得節(jié)電效果。 傳統(tǒng)的在變壓器下端母線(xiàn)上安裝有源濾波器或者無(wú)源濾波器的方法不能獲得明

2、 顯的節(jié)電效果。最后提供一種新型的諧波治理方案，能夠在三相四線(xiàn)系統(tǒng)中獲得 明顯的節(jié)電效果，并且具有最高的性?xún)r(jià)比。1. 節(jié)電潛能的分析方法節(jié)電是目前最熱門(mén)的話(huà)題。隨著國(guó)家節(jié)能降耗國(guó)策推進(jìn)的深入， 一些直接的 節(jié)電措施已經(jīng)廣泛實(shí)施，人們開(kāi)始關(guān)注更深層次的節(jié)電潛能。 特別是在能源價(jià)格 不斷升高的環(huán)境下，企業(yè)迫切尋找節(jié)電的突破口。諧波治理就往往成為一個(gè)目標(biāo)。諧波治理的初衷是提高電能質(zhì)量，保證配電系統(tǒng)和用電負(fù)荷的正常運(yùn)行。 但 是由于人們過(guò)度關(guān)注節(jié)電的問(wèn)題， 在討論諧波治理項(xiàng)目時(shí)，往往偏離主題，提出 諧波治理項(xiàng)目實(shí)施后，能夠節(jié)省多少電能的問(wèn)題。加上諧波治理設(shè)備廠(chǎng)家為了銷(xiāo) 售產(chǎn)品，故意混淆電能質(zhì)量與節(jié)電的

3、概念， 夸大諧波治理在節(jié)電方面的作用， 使 很多企業(yè)在考慮諧波治理時(shí)，單純關(guān)心節(jié)電效果。本文討論諧波治理與節(jié)電的關(guān)系，希望能夠指導(dǎo)企業(yè)真正從諧波治理中獲得 效益。本節(jié)提供的分析思路不僅適合于諧波治理的節(jié)電分析，也適合于一般的節(jié) 電項(xiàng)目效益分析。1.1節(jié)電的最大潛能在論證任何節(jié)電項(xiàng)目時(shí)，都要首先研究節(jié)電的潛能在那里，這種潛能有多大。 如果不能搞清楚這種潛能的存在和大小，就不能開(kāi)展節(jié)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。節(jié)電有兩個(gè)途徑，一個(gè)是減少不必要的電力做功，另一個(gè)是提高電力做功的 效率。隨手關(guān)燈就是我們最熟悉一種節(jié)電方法，這就是通過(guò)減少電力做功。提高電力做功的效率就是降低電力做功過(guò)程中造成的損耗。節(jié)能燈就是最典 型

4、的一種提高電力效率的方法。過(guò)去的白熾燈在發(fā)出光能的同時(shí)，產(chǎn)生了很大的 熱能，而熱能并不是我們所需要的。節(jié)能燈產(chǎn)生很少的熱能，而能夠?qū)⒋蟛糠蛛?力轉(zhuǎn)換成光能，因此具有更高的效率。無(wú)論是通過(guò)那種途徑節(jié)電，都是通過(guò)減少電能的浪費(fèi)來(lái)達(dá)到節(jié)電的目的， 也 就是，只有存在被浪費(fèi)的部分，才能夠有節(jié)省的空間。理解這個(gè)概念很重要，這 幫助我們識(shí)別和挖掘存在的節(jié)電潛能，識(shí)破一些不符合實(shí)際的商業(yè)宣傳。在進(jìn)行節(jié)電項(xiàng)目的論證時(shí)，首先分析哪些電能被浪費(fèi)掉了；這部分電能占總消耗電能的比例（一般用表示），這部分電能的費(fèi)用就是節(jié)電項(xiàng)目可能獲得的最 大收益。例如，如果企業(yè)由于功率過(guò)低，每個(gè)月交了1萬(wàn)元的功率因數(shù)罰款，那么，通過(guò)進(jìn)

5、行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，達(dá)到不交罰款的程度，就能夠節(jié)省1萬(wàn)元的費(fèi)用。節(jié)電的最大值不會(huì)超過(guò)浪費(fèi)的電能。 因此，一些公司不負(fù)責(zé)任地宣稱(chēng)，使用 他們的產(chǎn)品節(jié)電X%是沒(méi)有根據(jù)的。記住，一定要分析清楚目前的浪費(fèi)情況， 然后再研究如何減少浪費(fèi)。1.2電費(fèi)的構(gòu)成雖然國(guó)家推進(jìn)節(jié)能降耗的目的是為了保護(hù)環(huán)境， 但是企業(yè)實(shí)施節(jié)電措施的直 接動(dòng)力是降低電費(fèi)支出。因此，我們可以將節(jié)電的概念縮小到節(jié)省電費(fèi)支出這個(gè) 范圍。任何手段，對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)雖然有節(jié)電效果， 但是如果不能節(jié)省電費(fèi)支 出，在本文的范圍內(nèi)就不能算是節(jié)電。要討論安裝了某種設(shè)備是否可以節(jié)省電費(fèi)，首先需要了解電力公司是如何收 取電費(fèi)的。電力公司向企業(yè)收繳的電

6、費(fèi)主要包括三個(gè)部分：1）基本電費(fèi)：按照變壓器的數(shù)量和功率收取，變壓器的功率越大，基本電 費(fèi)越高；2）有功電費(fèi)：按照電度表的讀數(shù)收取，讀數(shù)越大，費(fèi)用越高 ；3）無(wú)功電費(fèi)：收取方法不定，普遍采用的是收取功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，功率因 數(shù)低于0.9時(shí)收取，有一定的計(jì)算方法。圖1所示的是一個(gè)企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)。 從表中可以看出，雖然電度表上讀 數(shù)的費(fèi)用是每度電0.57元，但是實(shí)際的電費(fèi)核算為每度1.48元。我們要節(jié)省電費(fèi)支出，就要從表中所示的每項(xiàng)入手，研究可行性。目前人們 最常用的方法是功率補(bǔ)償，降低功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)用。在圖1中，如果通過(guò)因數(shù)補(bǔ)償，達(dá)到電力公司的要求，省掉功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)，就節(jié)電了37.52%（6

7、878元）。但是需要注意的是，目前電力公司僅關(guān)注相移功率因數(shù)， 而不關(guān)注真功率因 數(shù)。相移功率因數(shù)就是由于電壓、電流之間存在相位差（F）而導(dǎo)致的功率因數(shù)，也就是我們常說(shuō)的 COSF實(shí)際上，諧波電流也會(huì)降低功率因數(shù)。這兩部分功率 因數(shù)都考慮的綜合結(jié)果就是真功率因數(shù)。由于目前電力公司收取的功率因數(shù)罰款 僅是相移功率因數(shù)部分的罰款，因此治理諧波而提高真功率因數(shù)是收不到功率因 數(shù)調(diào)整費(fèi)減少而獲得的節(jié)電效益的。衰】菓工業(yè)企業(yè)315 X配變的篥月電費(fèi)支出悄況衰項(xiàng)口電費(fèi)計(jì)算公式占巧月總電費(fèi)的比例/仔匚電度電7 060.59 A12 3x0.5738.51基本電費(fèi)（£03 780.00 元3i5xJ

8、220.62峰調(diào)1ft電疲1 329.74 元4 971535x0507.25絆澗帑電«（/）-716J5X-2 231x0.535x0,64)-3.91功率閃教個(gè)帑電費(fèi)6 878.6U 尤按有姜規(guī)企計(jì)箕37-52月電費(fèi)總額仆？A +W+C+D+E100月平均觸價(jià)WI2 387圖1某企業(yè)的電費(fèi)支出明細(xì)1.3諧波電流造成的電能浪費(fèi)諧波電流造成的電能浪費(fèi)主要是線(xiàn)路的熱損耗， 這部分熱損耗體現(xiàn)在電度表 的有功功率中，如果能夠降低諧波電流在線(xiàn)路中的損耗， 就能夠減少電度表的讀 數(shù)，也就達(dá)到了節(jié)電的目的。諧波電流在線(xiàn)路上造成的額外熱損耗包括：1）變壓器的額外損耗，包括鐵心的損耗和繞組導(dǎo)體的損耗

9、；2）線(xiàn)路的額外損耗，主要是線(xiàn)路電阻的熱損耗；根據(jù)有關(guān)研究，諧波電流使變壓器的損耗增加1%左右，如圖2所示。線(xiàn)路的損耗是本文分析的重點(diǎn)，在以下各節(jié)進(jìn)行分析。另外，諧波電流還會(huì)造成間接的浪費(fèi)，這就是由于變壓器的損耗增加， 容量 不夠，需要更換容量更大的變壓器，或者增加變壓器的數(shù)量，增加了基本電費(fèi)支 出。Transformer Efficiency - 75 kVA Example% Lodd圖2諧波電流增加變壓器的損耗(from Eat on Corpotati on)2. 諧波電流在線(xiàn)路上的損耗2.1三相三線(xiàn)系統(tǒng)線(xiàn)路的損耗取決于諧波電流的含量。典型的非線(xiàn)性負(fù)荷，例如變頻器，會(huì)產(chǎn) 生5、7、11

10、、13等多次諧波分量，為了討論方便，我們僅將這些諧波分量用一 個(gè)諧波成份Ih表示，這不會(huì)對(duì)討論結(jié)果產(chǎn)生大的影響分析的電路模型如圖3所示，為一個(gè)三相三線(xiàn)系統(tǒng)，每根相線(xiàn)的電阻為 R。圖3三相三線(xiàn)系統(tǒng)的電路模型由于單根線(xiàn)路的電阻為R,因此電流回路的電阻為2FL設(shè)，諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，總電流有效值IT為:ItI：丨2有諧波電流時(shí)，單個(gè)回路的線(xiàn)路損耗 P0為：P0 =2I；R =2(1： l2)R=2l：R 2I2R(2)三相線(xiàn)路的損耗P1為：R =3P0 =6I；R+612R(3)諧波電流導(dǎo)致的額外損耗 Ph就是6lh 2R:Ph=6l：R線(xiàn)路的電

11、阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線(xiàn)路的損耗越大。下面研究諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。設(shè)系統(tǒng)的總有功功率為P,貝P-1.73IU(5)式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線(xiàn)電壓。設(shè)：線(xiàn)路上單根導(dǎo)體的電壓降為 U,R= U /1(6)設(shè)： U = XU，X是線(xiàn)路上的電壓降占額定電壓的百分比，并將 (5)代入， 則有：U =XP/1.73I(7)將、 代入，并設(shè)THDi=lh/l，得到諧波電流的損耗為：Ph =61：( ：U/I) =6(lh/l)2 Ul =6(lh/l)2XP/1.73 =3.47THDj2XP現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，由于大量應(yīng)用變頻器等非線(xiàn)性設(shè)備，諧波畸變率較大，THDi

12、的典型值達(dá)到60%則諧波電流的損耗為：Ph =3.47 0.62 XP =1.25XP諧波電流的損耗在總功率中的比例為：Ph/P =3.47 0.62 X -1.25X計(jì)算不同線(xiàn)路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表1所示。表1:不同線(xiàn)路損耗時(shí)的諧波電流損耗(THlD=60%)X0.5%1%1.5%2%Ph0.00625P0.0125P0.01875P0.025PPh/P0.625%1.25%1.875%2.5%2.2三相四線(xiàn)系統(tǒng)三相四線(xiàn)（或者三相五線(xiàn)）系統(tǒng)中，負(fù)荷大部分是單相整流電路，他們所產(chǎn)生 的諧波電流以三次諧波電流為主，三次諧波電流的畸變率往往會(huì)達(dá)到 80%以上。 較高的諧波電流畸變率決定了諧波電流

13、的損耗也會(huì)更大。更重要的是，三次諧波電流在中性線(xiàn)（零線(xiàn)）上是疊加的，最大能夠達(dá)到相線(xiàn) 電流的1.7倍。而基波電流在中性線(xiàn)上是相互抵消的。 這決定三次諧波電流造成 了嚴(yán)重的浪費(fèi)。我們用圖4所示的電路模型來(lái)進(jìn)行分析。分析中，忽略變壓器的損耗和單相 負(fù)載部分的線(xiàn)路損耗，僅考慮公共線(xiàn)路的損耗。也就是圖4中的P1和P2。在分析中，假設(shè)諧波電流只有3次諧波電流，忽略其他諧波電流。這樣做有 兩個(gè)理由，第一，3次諧波電流最大，第二，3次諧波電流具有特殊性，它是零 序的電流，在中性線(xiàn)上疊加。共用零線(xiàn)的部分的損耗卩屮圖4三相四線(xiàn)系統(tǒng)中的諧波損耗單根線(xiàn)路的電阻為R,3次諧波電流的有效值為Ih，基波電流的有效值為If

14、， 根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，相線(xiàn)上的總電流有效值IT為：It = if 丨2（8）單根相線(xiàn)線(xiàn)路上的損耗P0為:R =|；R=(I2 l2)R = |：R |：R(9)3根相線(xiàn)導(dǎo)體的總損耗P1為：R =3P。=3lfR+3l2R(10)因?yàn)榛娏髟谥行跃€(xiàn)上抵消，而3次諧波電流在零線(xiàn)上疊加，所以中性線(xiàn) 上的損耗P2為：B =(3lh)2R=9l：R(11)總的線(xiàn)路損耗為：R +P2 =3I2R+3I2R+9I：R=12I：R+3I2R(12)諧波電流導(dǎo)致的額外損耗 Ph就是12Ih2RPh "2I：R(13)線(xiàn)路的電阻越大，諧波電流的損耗越大，諧波電流越大，線(xiàn)路的損耗越大。 下面研究

15、諧波電流損耗在系統(tǒng)總有功功率中的比例。設(shè)系統(tǒng)的總有功功率為P,貝PN.73IU(14)式中，I是基波電流，U系統(tǒng)的線(xiàn)電壓。設(shè)：線(xiàn)路上單根導(dǎo)體的電壓降為 U,貝R- U /1(15)設(shè)： U = XU，X是線(xiàn)路上的電壓降占額定電壓的百分比，并將(14)代入,則有：U 二 XP/1.73I(16)將(15)、(16)代入(13)，并設(shè)THDi=Ih/I，得到諧波電流的損耗為：Ph =6l2CU / I) =12(lh/l) Ul =12(lh/l)2XP/1.73 = 6.94THDj2XP由于大量應(yīng)用信息設(shè)備、節(jié)能燈、LED發(fā)光設(shè)備等，諧波畸變率較大，假設(shè) THDi的典型值達(dá)到80%則諧波電流的

16、損耗為：Ph =6.94 0.82 XP =4.44XP諧波電流的損耗在總功率中的比例為：Fh/P =6.94 0.82 X =1.25X計(jì)算不同線(xiàn)路損耗對(duì)應(yīng)的損耗率，如表 2所示表2:不同線(xiàn)路損耗時(shí)的諧波電流損耗(THID= 80%)X0.5%1%1.5%2%Ph0.022P0.0445P0.066P0.088PPh/P2.2%4.44%6.6%8.8%3. 諧波治理的節(jié)電效果3.1諧波治理達(dá)到的節(jié)電最大值上節(jié)分析了諧波電流造成的電能浪費(fèi)。根據(jù)“只有被浪費(fèi)掉的電能才能夠被 節(jié)省”的基本概念，我們通過(guò)諧波治理只能將諧波電流造成損耗的那部分節(jié)省。 所以表1和表2就給出了通過(guò)諧波治理能夠獲得節(jié)電效

17、果的最大值。 任何諧波治 理措施都不可能將諧波完全消除，因此，實(shí)際的節(jié)電效果不會(huì)超過(guò)表1和表2所示的數(shù)值。從表1和表2可知，三相四線(xiàn)系統(tǒng)中，通過(guò)治理獲得的節(jié)電效果更加明顯。這是主要是因?yàn)槿嗨木€(xiàn)制系統(tǒng)中， 三次諧波電流在中性線(xiàn)上疊加，而基波電流 在中性線(xiàn)上抵消，導(dǎo)致了諧波電流的損耗在總線(xiàn)路損耗中占的比例較大。由于表1和表2僅是線(xiàn)路的損耗，沒(méi)有考慮變壓器的諧波電流損耗。 如果考 慮變壓器的損耗，諧波治理的收益還能夠增加 1沖下。3.2諧波治理的實(shí)際節(jié)電效果以上的節(jié)電最大值是基于消除線(xiàn)路上的諧波電流損耗。 實(shí)際的諧波治理方案 并不能達(dá)到這種效果。目前的諧波治理方法主要采用有源濾波器和陷波電路型的

18、無(wú)源濾波器。這些濾波器并聯(lián)安裝在線(xiàn)路上，如圖 5所示。這些濾波器能夠保證接入點(diǎn) A的上游諧波電流達(dá)到預(yù)定值，而A的下游的諧 波電流沒(méi)有改善。實(shí)際上，由于濾波器接入后，系統(tǒng)的阻抗降低， A的下游的諧 波電流可能還會(huì)增加。目前大部分企業(yè)進(jìn)行諧波治理都是為了滿(mǎn)足電網(wǎng)公司對(duì)于接入點(diǎn)(PCC)的諧波指標(biāo)要求，因此，都會(huì)把諧波濾波裝置安裝在配電系統(tǒng)的最上端， 也就是主變 壓器的下端。這時(shí)，企業(yè)內(nèi)部的諧波電流不會(huì)有任何改善，甚至?xí)黾?，因此?就無(wú)法獲得線(xiàn)路損耗降低的收益。A*圖5典型的諧波治理電氣原理圖要通過(guò)諧波治理獲得節(jié)電效果，必須減小諧波電流在線(xiàn)路上的損耗。 最理想 的方法就是在諧波源負(fù)載處進(jìn)行諧波治

19、理。也就是在每個(gè)諧波源負(fù)荷的電源入線(xiàn) 處安裝一臺(tái)諧波濾波器。實(shí)際上，在每個(gè)諧波源負(fù)荷處安裝諧波濾波器，不僅能 夠獲得較好的節(jié)電效果，而且能夠保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的質(zhì)量， 是最理想的諧波治 理方案。但這會(huì)往往增加諧波治理的成本。 為了在諧波治理效果與成本之間獲得 平衡，可以采用綜合治理的方案。也就是，對(duì)功率較大的非線(xiàn)性負(fù)荷進(jìn)行就地單 獨(dú)治理，對(duì)較集中的非線(xiàn)性負(fù)荷，采用分組治理，對(duì)于分散的小功率非線(xiàn)性負(fù)荷， 采用集中治理（也就是目前最常見(jiàn)的）。3.3三相四線(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)電優(yōu)勢(shì)從表2可知，三相四線(xiàn)系統(tǒng)中，諧波電流造成的線(xiàn)路損耗遠(yuǎn)高于在三相三線(xiàn) 系統(tǒng)中。這意味著三相四線(xiàn)系統(tǒng)中，治理諧波具有具有更大的節(jié)電潛能。

20、如果能 夠找到一種較低成本的，消除整個(gè)配電系統(tǒng)線(xiàn)路上的諧波電流的方法，具有重要 的意義。中國(guó)航天科工集團(tuán) 706所開(kāi)發(fā)NBF（Neutral Blocking Filter） 零線(xiàn)諧波電 流阻斷器為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的提供了可能。 零線(xiàn)諧波電流阻斷器是一個(gè) RLC網(wǎng)絡(luò)，它 在150Hz處具有很高的阻抗，而對(duì)50Hz的基波頻率阻抗很低（一般小于0.05 Q）。 將它串聯(lián)在中性線(xiàn)上，就能夠阻擋三次諧波電流，如圖6所示。由于中性線(xiàn)與相 線(xiàn)共同構(gòu)成一個(gè)電流回路，因此，當(dāng)中性線(xiàn)上的諧波電流被阻斷后，相線(xiàn)上也就 沒(méi)有諧波電流了。NBF消除諧波的效果與普通的有源濾波器或者無(wú)源濾波器不同。NBF是能夠?qū)惭b位置下游線(xiàn)

21、路上的諧波電流消除， 當(dāng)然，下游沒(méi)有諧波電流，上游也就沒(méi) 有了諧波。因此，如果將NBF安裝在變壓器下端，就能夠消除整個(gè)配電系統(tǒng)線(xiàn)路 上的諧波電流。圖6 NBF在線(xiàn)路中的連接方法NBF的實(shí)際效果如圖7所示，可知，中性線(xiàn)電流從 38A降低到4A。第一種安裝方式：安裝在變壓器的輸出端（主配電柜的輸入端）這種安裝方式能夠最大限度的發(fā)揮 NBF的效能，減小變壓器下端所有零線(xiàn)上 的3次諧波電流，避免繼電保護(hù)器不會(huì)誤動(dòng)作。同時(shí)，能夠降低變壓器的溫度。注意在NBF的下游與地線(xiàn)連接。第二種安裝方式：安裝在分配電柜的輸入端這種安裝方式適合于對(duì)局部的線(xiàn)路進(jìn)行保護(hù)。例如，分配電柜1是為某個(gè)大尺寸的LED屏幕供電的，則NBF1能夠減小LED屏幕發(fā)射的3次諧波電流，使NBF 所在的零線(xiàn)上的電流不會(huì)超過(guò)相線(xiàn)電流。 分配電柜3的負(fù)荷以線(xiàn)性負(fù)荷為主，就 不需要安裝NBF如果在每個(gè)為非線(xiàn)性負(fù)荷供電的分配電柜上都安裝了NBF則總配電柜、變壓器等也就避免了 3次諧波電流的危害。標(biāo)準(zhǔn)的NBF有四種電流容量，50A、100A、200A、400A。當(dāng)需要其他電流容 量的NBF時(shí)，可以用多臺(tái)NBF并聯(lián)。例如，如果需要300A的NBF可以用100A+ 200A;如果需要600A,可以用200A+400ANBF的電流容量確定方法十分簡(jiǎn)單，根據(jù)相線(xiàn)電流的大小確定NBF的電流容 量，相線(xiàn)電流的容量就是 N