電能質(zhì)量概述講解（五）：發(fā)電廠諧波概述

5.1 諧波源

1）發(fā)電機(jī)出口

發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時，磁極磁場并非按正弦分布，所以感應(yīng)電勢也不是正弦波形，含有一定諧波成分，因此發(fā)電機(jī)的輸出電壓本身就有一定的諧波，正常設(shè)計的發(fā)電機(jī)，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(fā)電機(jī)勵磁電流中含有一定2倍頻率分量時，就能使發(fā)電機(jī)在定子電流中產(chǎn)生5次諧波電流；與電廠相連接的電網(wǎng)系統(tǒng)中含有諧波分量時，通過不同電壓等級間的滲透，可使發(fā)電機(jī)機(jī)端具有一定的諧波含量，例如1998年長山熱電廠在#6～#9發(fā)電機(jī)出口檢出5次諧波，含量為1.3%～1.5%。

2）廠用6kV變頻設(shè)備

電廠發(fā)出電能的相當(dāng)一部份在電廠內(nèi)消耗掉，是一個用電大戶，通常的廠用電率在4%～8%，具有負(fù)荷重要程度高、集中度高的特點(diǎn)。隨著大功率高壓電動機(jī)變頻改造，例如凝泵、一次風(fēng)機(jī)等，使廠用電系統(tǒng)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(shù)措施，努力使變頻器諧波降至最小，但其實(shí)際效果仍需驗證；廠用變壓器在非線性區(qū)運(yùn)行時，會產(chǎn)生諧波，污染廠用電系統(tǒng)；燃機(jī)發(fā)電機(jī)的變頻調(diào)速裝置，在發(fā)電機(jī)起機(jī)過程中，會產(chǎn)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(chǎn)生一定數(shù)量的諧波。

廠用電諧波監(jiān)測，對電廠設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行來講，非常重要。

3）廠用400V變頻及整流設(shè)備

    空冷機(jī)組大量采用400V變頻器，會產(chǎn)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(jié)構(gòu)方式：

（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)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(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)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(guān)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(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅立葉（M .Fourier）級數(shù)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(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)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(qū)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(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)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(chǎn)生5、7 次諧波。

5.3 6kV變頻設(shè)備的諧波水平

廠用電動機(jī)（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(jìn)行了電進(jìn)行了諧波測試，變頻改造設(shè)備、變頻器廠家及產(chǎn)品型號、測試內(nèi)容如下表所示。

                           表、變頻改造及諧波測試情況

諧波含量情況如下：

1）上安：

#3發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷(300MW)運(yùn)行時，工頻電源供電的凝結(jié)泵B工作時，6318B開關(guān)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(jié)泵A工作時，6318A開關(guān)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(fā)電機(jī)負(fù)荷235MW運(yùn)行時，工頻電源供電的凝結(jié)泵B工作時，6318B開關(guān)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(jié)泵A工作時，6318A開關(guān)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(fā)電機(jī)低負(fù)荷（162MW）運(yùn)行時，工頻電源供電的凝結(jié)泵B工作時，6318B開關(guān)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(jié)泵A工作時，6318A開關(guān)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(jié)水泵A 供電的變頻器，產(chǎn)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(chǎn)生影響，6kV 母線電壓總諧波畸變率僅為0.49%，遠(yuǎn)小于4%的國家標(biāo)準(zhǔn)。其他電能質(zhì)量參數(shù)：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(chǎn)生變化，都符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

2）井岡山

#1機(jī)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(shí)測值0.246%；#2機(jī)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(shí)測值0.208%，以上實(shí)測發(fā)廠用電母線諧波電壓、電流均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

3）邯峰

對#1機(jī)組6kV A、B、C、D段和#2機(jī)組6kV A、B、C、D段母線諧波電壓和諧波電流進(jìn)行了測試，其中，#1機(jī)組6kV A段和#2機(jī)組6kV C段測試結(jié)果如下，

#1機(jī)組6kV A段：

#2機(jī)組6kV C段：

測試時段內(nèi)邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司1號機(jī)組4個6kV段A、B、C三相電壓總畸變率均符合國標(biāo)(4.0%)要求；邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司2號機(jī)組4個6kV段A、B、C三相電壓總畸變率均符合國標(biāo)(4.0%)要求.

4）楊柳青

正常運(yùn)行方式下進(jìn)行測試，測試1-25次諧波電壓和諧波電流，主要數(shù)據(jù)如下，

諧波電流含量較大的分別為3次、5次、7次和11次諧波，數(shù)據(jù)如下，

正常運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)要求的合格范圍內(nèi)，驗證了高壓變頻器具有較好的抑制諧波特性。