港口配電系統諧波分析及其治理措施

鞠寧1 趙洪軍2 季曉春2 劉建春2 田陸陸2

（1.江蘇江陰港港口集團股份有限公司，江蘇 江陰 214443

2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

    1 引言

    近年來電力電子技術以其節能、高效、便于操控的特點，在港口的配電系統中已經廣泛的被應用，尤其是整流、變頻以及能量回饋等技術已經大量應用于門機、集裝箱岸橋等機械設備。但是，這些新技術的使用不可避免的對港口的配電系統產生大量干擾，特別是諧波干擾已經成為一個不可避免的問題。某公司對配電系統進行了電能質量測試，從測試情況看，其中大部分重型設備都會向配電系統注入5次、7次等諧波。高次諧波對系統會產生各種危害，例如，變壓器過熱、噪音增大，電容器頻繁鼓肚、導致功率因數低，電纜發熱嚴重等。本文根據實際測試的結果，分析港口諧波源的特點，并提出相應的治理措施。

    2、諧波概述

    國標《電能質量 公用電網諧波GB/T 14549-93》對諧波（分量）的定義是：對周期性交流分量進行傅立葉級數分解得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量。總諧波畸變率(THD)作為衡量用電質量的一個重要指標，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（用百分數表示）。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、諧波對港口配電系統的影響

    （1）設備影響

    諧波使配電系統遭到污染，這都可能影響繼電保護、計算機系統和精密機械或儀器正常的運行、操作，降低這些設備的使用壽命，甚至引起繼電保護誤動作而形成不必要的事故，造成不同程度的影響和損害，特別是對感應型電能表的影響。相關研究表明，感應型電能表對2次以上的諧波有逐漸增大的衰減特性，達到9次時已衰減掉80％以上。

    （2）諧波污染對電網的影響

    電網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。這部分電容器的設計大多只考慮無功補償量，不考慮裝設點電能質量的實際污染情況，因此，運行點電能質量指標低時，常造成一些事故，如補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷，甚至發生串并聯諧振，引發電容器的諧波過電壓與過電流，導致電容器爆炸等。用戶電容器的管理仍按平均功率因數進行考核，由于存在諧波，還會對功率因數產生影響，一般的，設備的輸入功率因數：。從該式可以看出，當電流、電壓發生畸變時，其功率因數會隨著減小。

    4 、港口測量數據分析

    下面是某公司對港口辦公區配電系統的測試結果分析。

    圖1所示為測量點電流波形圖以及電流THDi值。該圖中由于受負載影響，電流波形畸變很嚴重，這是電流在正弦波形情況下疊加了各種諧波導致的，從該諧波表格可以詳細看到各次諧波含有率，由于港口有大量變頻器負載，導致配電系統中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。電壓出現畸變，主要原因是畸變的電流在線路諧波阻抗上產生的，由于電流畸變十分嚴重，當畸變的電流流經線路阻抗時，會產生畸變的電壓降，根據基爾霍夫電壓定律可知，在該配電系統上的其他設備也必定是連接到畸變的電壓上，從而受到嚴重影響。

圖2 電壓波形圖以及電流THDi值

    圖3所示為該港口門機工作時無功需求趨勢圖以及辦公區電能情況。從圖3中可以看到，這些設備在空載和負重時所需無功差別大，變化快。左圖可以看到，在門機工作時，每隔1分鐘左右就會有一次很大的無功需求，傳統無功柜采用接觸器切投，功率因數控制器(RVC)控制。RVC會設置相應的步進切投時間，一般時間設置會在10s到40s之間，例如ABB低壓RVC步進切投時間默認為40s，切投時間太長跟不上負載無功需求，切投時間太短會導致接觸器、電容器等元件老化加速。跟據這一特性可知，傳統的無功補償無法跟蹤快速變化的負載無功需求，這會導致功率因素數一直很低。功率因數受諧波和快速變化的負載影響，要投入更大的無功補償或更換新的無功補償設備，各種成本也會隨之上升。