电能质量概述讲解（五）：发电厂谐波概述、谐波源、变频装置谐波分析及6kV变频设备谐波水平

电能质量概述讲解（五）：发电厂谐波概述

5.1 谐波源

1）发电机出口

发电机实际运行时，磁极磁场并非完全按正弦分布，所以感应电势也不完全是正弦波形，含有一定谐波成分，因此发电机的输出电压本身就有一定的谐波，正常设计的发电机，由于采用了许多消弱谐波电势的措施，其电势谐波含量是很小的。

发电机励磁电流中含有一定2倍频率分量时，就能使发电机在定子电流中产生5次谐波电流；与电厂相连接的电网系统中含有谐波分量时，通过不同电压等级间的渗透，可使发电机机端具有一定的谐波含量，例如1998年长山热电厂在#6～#9发电机出口检出5次谐波，含量为1.3%～1.5%。

2）厂用6kV变频设备

电厂发出电能的相当一部份在电厂内消耗掉，是一个用电大户，通常的厂用电率在4%～8%，具有负荷重要程度高、集中度高的特点。随着大功率高压电动机变频改造，例如凝泵、一次风机等，使厂用电系统受到谐波污染的可能性和程度不断增加，虽然从原理上目前大部分高压变频器采用隔离变压器、多脉冲整流等降低低次谐波的技术措施，努力使变频器谐波降至最小，但其实际效果仍需验证；厂用变压器在非线性区运行时，会产生谐波，污染厂用电系统；燃机发电机的变频调速装置，在发电机起机过程中，会产生较大分量的谐波；不间断电源装置，工作原理是整流-逆变的过程，会产生一定数量的谐波。

厂用电谐波监测，对电厂设备安全稳定运行来讲，非常重要。

3）厂用400V变频及整流设备

空冷机组大量采用400V变频器，会产生谐波；电除尘器采用的整流变也是谐波源之一。

5.2 变频装置的谐波分析

变频器有3种不同的结构方式：

（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；

（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；

（3）用不控整流器整流，用PWM 逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT 等），输出波形才会非常逼近正弦波。无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅立叶（M .Fourier）级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7、9 等为奇次谐波，而2、4、6、8 等为偶次谐波，如基波为50Hz 时，2 次谐波为100Hz，3 次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、9、11、13、17、19 等，变频器主要产生5、7 次谐波。

5.3 6kV变频设备的谐波水平

厂用电动机（泵）变频改造后，为评估变频电源对厂用电谐波污染的情况，部分厂在变频改造后，对6kV厂用进行了电进行了谐波测试，变频改造设备、变频器厂家及产品型号、测试内容如下表所示。

表、变频改造及谐波测试情况

电厂	变频改造电机	变频器型号/厂家	谐波测试内容
上安	#3机组凝结水泵 额定功率800kW	利德华福/HARVERT-A06/105	①凝结泵A/B变频运行时，机组不同负荷时6kV母线谐波电压及变频器注入6kV母线的谐波电流。 ②凝结泵A/B变频启动及运行时，变频器输出电压和电流波形测量
井冈山	凝结水泵 1000kW/6kV	北京新电创拓科技有限公司 Diamond-HV6000V/1250KVA	#1、#2机组6kV母线谐波电压，各测试一段
邯峰	凝结水泵 2600kW/6kV 一次风机	利德华福 HARSVERT—A06/300	#1、#2机组各4个6kV段母线相电压谐波、相电流谐波、三相不平衡度
杨柳青	＃5炉吸风机 1600 kW	东方日立（DHC）电控设备有限公司	6kV A、B段母线线电压谐波，6kV A、B段母线总开关电流谐波

谐波含量情况如下：

1）上安：

#3发电机满负荷(300MW)运行时，工频电源供电的凝结泵B工作时，6318B开关电流的第3次谐波电流含量0.25A，第5次谐波电流含量0.38A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.47%；变频电源供电的凝结泵A工作时，6318A开关电流的第3次谐波电流含量1.22A，第5次谐波电流含量1.33A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.49%。

#3发电机负荷235MW运行时，工频电源供电的凝结泵B工作时，6318B开关电流的第3次谐波电流含量0.38A，第5次谐波电流含量0.38A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.48%；变频电源供电的凝结泵A工作时，6318A开关电流的第3次谐波电流含量0.53A，第5次谐波电流含量1.04A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.48%。

#3发电机低负荷（162MW）运行时，工频电源供电的凝结泵B工作时，6318B开关电流的第3次谐波电流含量0.41A，第5次谐波电流含量0.28A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.46%；变频电源供电的凝结泵A工作时，6318A开关电流的第3次谐波电流含量0.71A，第5次谐波电流含量0.78A，6kVB母线电压总谐波畸变率0.47%。

测试表明，为凝结水泵A 供电的变频器，产生的谐波电流较小，对6kV母线电压的总谐波畸变率基本没有产生影响，6kV母线电压总谐波畸变率仅为0.49%，远小于4%的国家标准。其他电能质量参数：电压波动和闪变、三相电压不平衡度等基本没有因变频器的使用而产生变化，都符合相关国家标准。

2）井冈山

#1机6kV厂用电电压总谐波畸变率0.346%，最大电压谐波为5次谐波，实测值0.246%；#2机6kV厂用电电压总谐波畸变率0.527%，最大电压谐波为5次谐波，实测值0.208%，以上实测发厂用电母线谐波电压、电流均在标准要求范围内。

3）邯峰

对#1机组6kV A、B、C、D段和#2机组6kV A、B、C、D段母线谐波电压和谐波电流进行了测试，其中，#1机组6kV A段和#2机组6kV C段测试结果如下，

#1机组6kV A段：

谐波电压总畸变率（％）			A相	B相	C相
			0.30	0.32	0.32
基波电压和主要次电压 谐波含有率（95%）		次数	A相（%）	B相（%）	C相（%）
		H1	3.523kV	3.520kV	3.522kV
		H3	0.13	0.17	0.07
		H5	0.19	0.22	0.26
谐波电流总畸变率（％）			A相	B相	C相
			1.15	1.07	0.69
基波电流和主要次电流值（95%）	次数		A相	B相	C相
	H1		915.6	901.2	903.7
	H3		8.39	8.76	1.47
	H5		5.21	3.47	4.99

#2机组6kV C段：

谐波电压总畸变率（％）		A相	B相	C相
		0.33	0.35	0.37
基波电压和主要次电压谐波含有率（95%）	次数	A相（%）	B相（%）	C相（%）
	H=1	3.650kV	3.637kV	3.635kV
	H=3	0.08	0.16	0.08
	H=5	0.25	0.24	0.31
谐波电流总畸变率（％）		A相	B相	C相
		1.70	1.99	1.87
基波电流和主要次电流值（95%）	次数	A相	B相(A)	C相(A)
	H=1	300.1	291.4	292.3
	H=3	1.40	2.60	2.69
	H=5	3.22	3.86	2.92

测试时段内邯峰发电有限责任公司1号机组4个6kV段A、B、C三相电压总畸变率均符合国标(4.0%)要求；邯峰发电有限责任公司2号机组4个6kV段A、B、C三相电压总畸变率均符合国标(4.0%)要求.

4）杨柳青

正常运行方式下进行测试，测试1-25次谐波电压和谐波电流，主要数据如下，

谐波	6kV A 段		6kV B 段
	A-B	B-C		A-B	B-C
总谐波电压畸变率（%）	0.3	0.3		0.2	0.3
3次谐波	0.186	0.194		0.178	0.174
5次谐波	0.174	0.109		0.112	0.082
7次谐波	0.114	0.141		0.097	0.133

谐波电流含量较大的分别为3次、5次、7次和11次谐波，数据如下，

谐波	6kV A段 (A)			6kV B段 (A)
	A	B	C	A	B	C
基波	271.843	274.147	272.425	547.757	546.613	533.205
3次谐波	3.019	4.822	2.910	4.068	7.022	4.488
5次谐波	2.780	3.463	3.211	6.143	6.505	6.159
7次谐波	2.589	2.948	2.922	3.289	3.508	3.734
11次谐波	1.122	1.115	1.156	1.122	1.110	1.077

正常运行方式下6kV A、B段母线电压谐波总畸变率和谐波电流均符合标准要求。

可以看到，采用多相脉冲整流是变频电源消除谐波的有效途径，目前，6kV高压变频器全部采用多脉冲整流的方式消除谐波，例如，利德华福公司，HARSVERT-A系列变频器，采用36脉冲整流，理论上不产生35次以下谐波；艾帕公司，Innovert系列变频器，采用30脉冲整流，理论上不产生29次以下谐波；罗宾康公司，完美无谐波系列变频器，采用30脉冲整流，理论上不产生29次以下谐波，日立公司，DHC型号变频器，采用48脉冲整流，理论上不产生47次及以下谐波。从4.3.2中，可以看上安等电厂，变频改造后变频器输出及厂用6kV段母线，电压、电流谐波均在标准要求的合格范围内，验证了高压变频器具有较好的抑制谐波特性。

审核编辑 黄宇