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摘要：电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，其中谐波是电能质量的重要衡量标准。谐波不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。
关键词：氧化铝项目；谐波治理；无功补偿
引言
随着电网的发展及非线性负载的不断应用，电力系统中谐波的含量不断加剧严重。特别是基于氧化铝生产工艺及流程的发展要求，变频器、软启动、UPS等非线性负载的应用，在系统存在着大量无功状态下，供电系统又增加了谐波的负面影响，对供电系统的电能质量影响非常严重。
一、国网对谐波含量的要求
目前国家电网对供电系统谐波含量已出具了相关国家电能质量标准要求。国标GB14549-93《公用电网谐波》中对电网谐波含量有严格要求，电压谐波含量0.38kV系统不大于5.0%，10kV系统不大于4%。电流谐波含量0.38kV系统（10MVA）：78A（2次）、62A（3次）、39A（4次）、62A（5次）、26A（6次）……，10kV（100MVA）：43A（2次）、34A（3次）、21A（4次）、34A（5次）、14A（6次）……
二、氧化铝项目中的谐波源及危害
1、氧化铝项目中的主要谐波源
氧化铝生产具有用单机容量大、负荷冲击大、工作连续性和自动化程度高等特点。随着氧化铝生产工艺的不断改进和自动化产品的不断应用，特别是大功率的变频器、UPS、直流电源、软启动设备及新型LED照明产品的不断应用，给氧化铝的供电系统带来大量谐波。根据氧化铝项目谐波源的谐波性质及傅里叶基数分析，在氧化铝项目供电系统中主要以3次、5次、7次、9次、11次及13次等谐波为主，其中3、5、7、9谐波含量占比最大。
针对氧化铝生产工艺谐波源分析，氧化铝生产工艺中的谐波源由以下特性：
（1）主要以变频器和照明系统产生的谐波为主；据初步统计单套130万吨/年的氧化铝低温生产线变频器数量接近200台.
（2）软启动设备正常无谐波，只在启动时产生谐波；
（3）主要谐波为奇次谐波。
2、谐波的危害
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及奇倍数谐波，对三角形连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；使变压器附加损耗增加。谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。当供配电系统中存在谐波时，使电容器损耗功率增加，电容器异常发热，缩短电容器的使用寿命，严重时，使电容器过电流和过负荷，引起电容器爆炸。谐波电压和电流，会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动，破坏微机保护、综合自动化装置，还会使仪表和电能计量出现较大误差，谐波如果不经过治理直接进入上级电网，将会给电网带来严重的谐波污染并有可能受到供电公司的考核等。
三、谐波分析与治理
1、谐波治理的基本原则
谐波治理的总体思路：首先应当考虑预防，控制好谐波产生的源头，使系统中产生的谐波尽量减小，就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此，在选择设备和构建系统时，就应该将减小谐波作为一项重要的条件来考虑。其次，在预防的基础上，再考虑补救措施。特别是对于氧化铝厂低压系统来说，由于系统低压变频器较多，谐波问题的解决需要通过加装滤波器等补救措施得以控制。
2、谐波的预防
（1）高压变频器
通过我部高压变频器技术交流，目前高压变频器主要有级联型高压变频器和三电平型高压变频器。级联型高压变频器属于完美无谐波型变频器系列，对电网注入谐波量几乎能够控制在3%以下。三电平型高压变频器基本都是采用高脉冲型产品，而且本身配有输入端滤波电抗器或变压器，能够将谐波量控制在5%以下。高压变频器原则上选用级联型产品，以此控制10KV系统谐波含量。
（2）低压变频器
目前氧化铝生产工艺中，低压变频器数量较大，是氧化铝生产工艺中电气系统中的主要谐波源。通过前期与变频器厂家调研，目前市场上主流合资品牌，如ABB、西门子、施耐德、丹弗斯等，在电源输入端内置直流电抗器可在一定程度上控制输入电网的谐波，因此在低压变频器选型时原则上选用合资主流品牌具有谐波抑制功能的产品。但由于变频器数量比较多，多台变频器谐波叠加，仍然会对电力系统的电能质量产生较大影响。
（3）软启动谐波预防
针对软启动产品，目前市场上没有低谐波产品，为减少软启动设备对系统谐波含量的影响，在设计时可以尽量减少软启动设备的使用，进而控制软启动对系统谐波的影响。
（4）变压器选型对谐波的预防
由于△/Y型变压器的三角形侧绕组对系统中的3次谐波由较好的吸收作用，所以在系统设备选型时可充分利用变压器的这一特性在一定范围内降低供电系统的3次谐波含量。
（5）其他谐波源产品的预防
在氧化铝项目中UPS、EPS、直流屏等使用数量较少，其普通产品和低谐波产品价格相差不大，可以选用低谐波含量的产品，从设备源头减少谐波对相应400V系统的谐波影响。
3、谐波的集中治理
（1）10kV系统集中治理
高压变频器采用级联型产品，谐波含量较小，可以不考虑治理，设计时在10kV段预留高压谐波治理设备位置，正常运行后根据实际谐波测量值的情况确定是否有必要增设高压谐波治理设备。
（2）400V系统集中治理
针对氧化铝厂400V系统谐波源较多，电压质量较差的现状，建议在变频器安装较多的母线配置专用谐波治理装置，具体容量需设计院经过详细计算给出。。
（3）照明系统
目前市场上金属卤钨灯和LED的照明产品，由于其整流特性会产生一定量谐波，而该类产品无低谐波产品，故对于照明系统的谐波治理主要采用具有滤波功能的照明控制器产品。
4、滤波产品的初步选择方案
通过前期无功补偿装置滤波产品的调研，了解到目前市场上主要滤波产品分为三类：无源滤波产品、有源滤波产品及综合型无功滤波产品。
无源滤波产品：利用电容、电抗组成串联谐振回路，对于需要滤除的谐波电流提供低阻抗通道，吸收该谐波电流。该种滤波产品结构简单，价格低廉，但只能够针对某一频段或几频段谐波滤波效果较好。
有源滤波产品：利用IGBT管组成的并联变流器产生与电网谐波大小相等相位相反的电流注入电网，电网谐波电流与APF输出的电流正好相互抵消，从而达到滤波目的。该产品滤波效果最佳，可以将所有频段谐波滤除。
综合型无功滤波产品：综合型无功滤波产品是将无功补偿功能和滤波功能集于一体的补偿滤波产品，该产品由于两项功能互相占用容量，其无功补偿功能和滤波功能都达不到最佳的效果，适合于谐波含量超标不大而又需要滤波的场合。
四、氧化铝项目谐波治理架构总结
针对氧化铝厂高低压变频器较多，电压质量差的特点，综合谐波预防与治理相结合的方案，即高压变频器选用市场上主流的低谐波级联型产品，同时结合高压系统容量较大的特点，可以不考虑治理。低压变频器原则上选用具有谐波抑制功能的市场主流品牌，在变频器安装较多的400V母线上配置专用的有源滤波装置，便可达到很好的治理效果。
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