某厂多能流耦合下的电网谐波交互特性分析及治理方案优化

0引言

随着工业电气化与电力电子技术的发展,多能流耦合系统中谐波交互特性日趋复杂,严重威胁电网电能质量与设备安全^[1]。某电子玻璃洁净厂房FFU (Fan Filter Unit,风机过滤单元)系统因直流电机硅整流及变频调速运行,产生以3次、5次为主的谐波污染,导致中性线电流超500 A、电缆温度73℃等安全隐患。本文针对多能流耦合下谐波传播机理,以该 FFU系统为研究对象,分析谐波交互特性,提出基于有源电力滤波器的近源补偿优化策略,并通过工程实测验证其对谐波抑制与能效提升的有效性。

1 多能流耦合下电网谐波交互特性分析

1.1研究问题提出

在工业电气化进程中,多能流耦合系统(如电力、控制信号、能量传输等多维度能量流交互)的谐波问题呈现出显著的复杂性。当非线性负载(如变频器、整流设备)接入多能流耦合电网时,谐波电流会通过不同能量流路径产生叠加与耦合传播,导致谐波污染范围扩大、危害程度加剧。这种交互特性使得传统单一谐波源的治理策略难以奏效,因此,亟需揭示多能流耦合下谐波的传播机理与叠加规律^[2]。

某电子玻璃厂3个洁净主厂房FFU系统,每个主厂房两条生产线共有670台FFU,FFU分为交流电机和直流电机两种形式,该厂采用直流电机,相较于交流电机其优点是功耗低、节约能耗,可实现无极调速,有利于满足洁净工艺生产要求。研究以其中一个主厂房FFU系统作为典型多能流耦合分析场景,其直流电机因硅整流及变频调速运行,成为主要谐波源。实测数据(图1)表明,该系统产生的谐波以3次、5次为主(3次谐波电流畸变率达52%,相线总电流178 A),且由于3次谐波的零序特性,在中性线中形成电流叠加(中性线总电流超500 A),导致电缆温度升至73℃,功率因数低至0.82,引发设备过热、变频器误动作等安全隐患。此类非线性负载与多能流电网的交互作用,使得谐波对电网的影响从单一设备扩展至整个供电系统,亟需针对其交互特性开展治理策略研究。

1.2 谐波交互特性建模与测试

1.2.1基于FFU拓扑的谐波生成机理分析

FFU系统采用单相直流电机驱动,其拓扑结构包含硅整流电路与变频调速模块,二者均为典型非线性元件。硅整流电路在将交流电转换为直流电时,由于二极管或晶闸管的非线性导通特性,会产生大量3、5、7、9、11、13次奇次谐波,其中3次谐波占比最高(实测THDI达52%,3次谐波相线总电流178 A)。变频调速模块通过PWM(脉冲宽度调制)技术调节电机转速,其开关动作会引入高频谐波分量,与整流谐波叠加后形成复杂的谐波频谱^[3]。

从拓扑特性看,FFU的直流电机供电回路可等效为非线性负载模型:当输入正弦电压时,整流器输出非正弦电流,其频谱包含基波与3、5、7次等奇次谐波。特别地,3次谐波作为零序分量,在三相系统中相位相同,导致中性线电流呈现“3倍叠加”特性——实测中FFU供电中性线总电流达552 A,远超电缆安全负荷,印证了3次谐波的主导作用。

1.2.2多能流耦合下谐波传播路径仿真与实测验证

在多能流耦合场景中,FFU谐波通过电力流与控制信息流的交互路径传播^[4]。

电力流传播路径:谐波电流从FFU设备出发,经二次配电箱→一次配电箱→低压开关柜→变压器,渗透至整个电网。实测显示,1#厂房FFU运行时,变压器低压侧中性线电流达584.6 A,电缆温度升至73℃ ,断路器局部温度70℃ ,均超过安全阈值。FFU供配电线路如图2所示。

耦合交互路径:谐波电压通过电网阻抗耦合至控制信号回路,干扰PLC、传感器等电子设备。例如, FFU变频器误动作案例中,谐波导致控制信号畸变,触发过流保护误跳闸。

通过PSCAD/EMTDC仿真平台对FFU供配电系统建模,设置670台FFU并联运行场景,仿真结果与实测数据吻合:3次谐波在中性线中形成电流叠加,传播至变压器侧时中性线电流达500 A以上,与现场测量的552 A误差小于10%。这验证了多能流耦合下谐波的“源-网-负荷”交互传播特性。

1.2.3谐波对电网设备的影响量化

谐波对系统的危害通过以下维度量化^[5]:

1)电气设备过热风险:谐波电流导致电缆集肤效应加剧,实测治理前电缆温度73 ℃(安全限值50 ℃),断路器温度70℃ ,设备绝缘老化速率提升3倍。研究表明,电缆运行温度每升高8~10℃ ,电缆的使用寿命缩短一半^[6]。

2)功率因数劣化:非线性负载消耗无功功率,实测FFU供电回路功率因数低至0.809~0.823,导致变压器容量利用率下降18%,年无功损耗达12.5万kw.h。

3)设备误动作风险:谐波干扰导致电机控制变频器误动作率增加23%,电子测量仪器误差超过±5%,如治理前FFU转速传感器因谐波干扰出现±10%的测量偏差。

综上所述,FFU系统的谐波交互特性呈现“非线性生成-多路径传播-多设备影响”的链式效应,亟需制定科学的针对性治理策略。

2 多能流谐波治理方案优化设计

2.1 治理技术对比与选型

在多能流耦合场景中,有源电力滤波器(APF)存在集中补偿、支路补偿与就地补偿三种典型补偿模式。集中补偿将APF安装于低压开关柜出线侧,以主厂房为单位统一治理,虽施工便捷但谐波抑制范围有限;支路补偿则将APF部署于一次或二次配电箱支路出线侧,按供电支路分区治理,可针对性抑制局部谐波,但补偿精度仍受限于距离谐波源的位置;就地补偿则直接在FFU设备本体安装APF,通过最靠近谐波源的治理点实现精准补偿。

对比三种模式在多能流耦合场景的适用性:集中补偿成本最低,但因距谐波源较远,难以消除线路传播中的谐波叠加,对中性线电流高、谐波交互复杂的FFU系统效果有限;支路补偿成本适中,可减少支路范围内的谐波干扰,但无法阻断谐波在不同支路间的耦合传播;就地补偿虽成本最高,但能从谐波产生源头实时抑制,彻底切断多能流耦合下的谐波交互路径,尤其适用于FFU这类数量多、谐波源密集的非线性负载场景。

基于多能流耦合下谐波“源—网—负荷”交互传播特性,课题组综合考量治理效果与系统兼容性,最终选择就地补偿方案。该方案通过在每台FFU设备本体安装APF,实现对3次、5次谐波的近源动态补偿,从根本上解决中性线电流叠加、设备过热等问题,相比其他方案更能适应多能流耦合系统的复杂谐波环境。

2.2近源补偿优化策略

2.2.1基于谐波交互传播路径的治理点选择

在多能流耦合系统中,FFU谐波经“设备—线路—电网”电力流及“谐波电压—控制信号”耦合路径传播,形成复杂污染。本研究基于谐波源定位与传播机理,选择在FFU设备本体安装APF的就地补偿方案,其优势在于:1)可以在谐波注入电网前实时抵消,如1#厂房中性线总电流从584.6A降至83A,降幅达85.8%;2)缩短APF与谐波源距离,减少电压畸变(从52%降至1.2%),避免对控制设备干扰;3)还能针对670台FFU动态运行时3次谐波占比超50%的特性独立补偿,适配负载分散性与动态性。

2.2.2动态谐波抑制算法设计

为实现对FFU谐波的动态抑制,APF采用“实时检测—快速补偿”闭环控制策略:基于瞬时无功功率理论(ip—iq法)对输入电流频域进行分解,快速提取3次、5次等谐波分量,实测3次谐波检测精度达98.7%、响应时间<5 ms;通过DSP生成与谐波电流幅值相等、相位相反的补偿指令,经PWM调制驱动IGBT模块注入反相电流,如3次谐波相线总电流从178 A抑制至30.8 A。算法集成谐波抑制与功率因数校正, 自适应调节PI参数,同步实现THDI从52%降至1.2%,功率因数从0.82升至0.99。

3 治理实施与效果验证

3.1 工程实施与数据监测

针对1#厂房670台FFU设备的谐波问题,采用苏州市恩威特环境技术有限公司的“有源电力滤波器(APF)就地补偿”方案。具体实施步骤如下:

1)设备安装:每台FFU设备本体安装独立APF模块,直接接入FFU电源输入端,确保治理点紧邻谐波源。

2)系统调试:通过APF内置的DSP控制器实时检测谐波分量,动态调整补偿电流参数,确保3次、5次谐波抑制精度。调试期间,使用Fluke电能质量分析仪对每台FFU的电流波形进行校准,确保补偿电流与谐波相位严格反向。

3)协调控制:所有APF模块通过RS—485通信网络与中央监控系统连接,实现谐波抑制策略的集中优化与动态负载均衡。

通过现场实测数据对比治理前后的核心指标变化,如表1所示。

3.2 多维度效果评估

3.2.1谐波抑制效果

如图3所示,治理后,系统电压畸变率从治理前的52%显著降至1.2%,远低于国标GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》中规定的公共电网谐波电压限值(400 V电网电压总畸变率≤5%)。3次谐波电流从178A降至30.8A,满足国标中“220V/380 V电网中3次谐波电流限值≤38 A”的要求,谐波频谱中的奇次分量(如5次、7次谐波)也同步得到有效抑制。

如图4所示,从频谱分析来看,治理前3次谐波占比达52%,治理后各次谐波含量均控制在1.5%以内,验证了APF近源补偿对复杂谐波交互特性的抑制能力。

3.2.2能效提升

系统功率因数从0.82提升至0.99,变压器容量利用率提高约18%。经实测,治理后有功功率从222.6 kw 降至183.9kw,功率减少38.7kw,按年运行时间8 760 h计算 (24 h×365天),年节电量达33.9万kw.h,折合电费约21万元[按0.62元/(kw.h)计]。同时,无功损耗显著降低,电网传输效率提升,有效缓解了非线性负载对电网的能效损耗问题。

3.2.3设备安全改善

电缆温度从73℃降至35℃,低于安全限值(50℃),绝缘老化速率从“每升高8~10℃使用寿命缩短一半”^[6]恢复至正常水平,设备预期寿命延长3倍以上。中性线电流从584.6 A降至83 A,降幅达85.8%,彻底消除了电缆过热引发的火灾隐患。此外,变频器误动作率从治理前的23%降至1%以下,控制信号畸变率降低至0.8%,电子设备运行稳定性显著提升。

4 结束语

本文针对多能流耦合系统中FFU的谐波交互问题,揭示了3次、5次谐波在多路径传播中的叠加机制,提出基于有源电力滤波器的近源补偿策略。工程实测表明,该策略使中性线电流下降85.8%,电缆温度降至安全阈值,功率因数提升至0.99,有效解决了设备过热与电网能效损耗问题。研究成果为多能流耦合场景下非线性负载的谐波治理提供了可供复制的工程范式,未来可进一步探索多类型谐波源协同治理与智能算法优化,以适应工业电气化进程中复杂电能质量调控需求。

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《机电信息》2025年第13期第3篇