諧波不和諧

摘要

非線性電氣負荷產生的諧波電流增大了電力系統熱損耗和終端用戶的用電費用。這些與諧波有關的損耗降低了系統效率，造成設備過熱并增加了電力成本和空調費用。隨著諧波產生的負載量不斷增加，在擴大或改造現有設施時解決諧波負載的影響變得越來越重要。

諧波電流對配電系統及其饋電的設施具有明顯影響。在規劃系統擴建或改造時必須考慮它們的影響。此外，確定非線性負載的規模和位置也是所有維護、故障排除和修理計劃的重要組成部分之一。

現代電力系統中的諧波問題

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負載發射的。開關模式電源(SMPS)、調速電機及驅動、復印機、個人電腦、激光打印機、傳真機、電池充電器以及UPS等都屬于非線性負載。單相非線性負載在現代辦公大樓中較為常見，而三相非線性負載則普遍存在于工廠和工業車間里。

多數配電系統上的大部分非線性電力負載來自SMPS設備。比如，所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線性電源會產生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統，將影響連接在同一電源上的其他設備。

多數電力系統可以容忍一定程度的諧波電流，但當諧波在總負載中所占比例較為明顯時就會出現問題。隨著這些頻率較高的電流流經電力系統，它們會造成通信錯誤、過熱和硬件受損，比如：

? 配電設備、電纜、變壓器、備用發電機等過熱

? 諧波阻抗造成的高電壓和環流

? 發熱并浪費電能的高中性線電流

? 因電壓失真嚴重導致設備故障

? 增大了連接設備中的內部能耗，造成元器件失效并縮短使用壽命

? 支路斷路器偽跳閘

? 計量錯誤

? 配線和配電系統失火

? 發電機失效

? 高振幅系數及有關問題

? 降低系統功率因數，導致可用功率減小(kW對kVA)和每月電費處罰

諧波技術概覽

諧波是頻率達基頻整數倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那么第2諧波為120 Hz，第3諧波為180 Hz等(見圖1)。當諧波頻率占主導時，配電盤和變壓器會與高頻諧波產生的磁場形成機械共振。發生這種情況時，配電盤或變壓器會振動并針對不同諧波頻率發出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統中最為常見的頻率范圍。

所有周期波都會隨各種頻率的正弦波產生。傅里葉定律把一個周期波分解為其分量頻率。

諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度(見圖3)。

圖3 總諧波失真

補償及減小諧波的解決方案

雖然限制產生諧波電流的標準正在考慮之中，今天的諧波控制主要依賴于補救方法。補償或減小電力系統諧波可以采取多種手段，其效果和效率各不相同。

增大中性線配線規格

現代設施中，中性線的配線容量規格常常要求與電力配線相同或更大——盡管電力規范允許減小其規格。支持多臺個人電腦（比如呼叫中心）的設計應規定中性線配線超過相線規格1.73倍。對辦公室隔間里的配線尤其要多加注意。需要指出的是，這種方法可以保護建筑物配線，但不能保護變壓器。

使用單獨的中性導線

在三相分支電路上，要單獨為每根相線導線敷設中性導線，取代多線分支電路共用一條中性導線的做法。這樣可以增大分支電路處理諧波負載的容量和能力。這種方法可以有效抑制分支電路中性線上諧波增大，但配電板中性母線和饋電中性導線仍須考慮。

使用不會受諧波影響的直流電源

在典型數據中心里，配電系統通過一臺變壓器把480V交流市電轉換為對服務器機架饋電的208V交流電。每臺服務器中的一個或幾個電源再把該交流電轉換為供服務器內部組件使用的直流電壓。

這些內部電源能效不高，它們產生大量熱，增加了房間的空調系統的工作量以及運轉成本。熱耗散也限制了一個數據中心里能容納的服務器數量。選擇使用直流電來消除這一環節是值得的。

根據《能源與電力管理》雜質中一篇文章的說法，“配備直流電源而非交流電源的計算機和服務器產生的熱量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服務器的可靠性和安裝靈活性，也減少了維護需求。”

聽起來不錯，但綜合考慮成本、兼容性、可靠性和效率時，棄交流電不用而選擇直流電對多數數據中心來說并不可行。交流電——盡管其效率略低——但對現有設備是普遍可以接受的。

此外，目前尚無針對數據中心高電壓點的保險商實驗室(UL)安全標準，而針對交流系統的標準則十分成熟。這意味著安全風險勝過了直流電的潛在效益，至少目前是這樣。

在配電元件中使用K級變壓器

標準變壓器不是針對非線性負載產生的高諧波電流而設計的。當連接這些負載時會過熱并過早發生故障。當諧波開始以具有有害影響的程度引入電氣系統中時(circa 1980)，該行業的應對措施是開發了K級變壓器。K級變壓器不是用于消除諧波，而是用于處理諧波電流產生的熱量。

K系數額定值范圍在1到50之間。針對線性負載設計的標準變壓器K系數為1。K系數越高，變壓器能夠承受諧波電流產生的熱量越多。選擇正確的K系數非常關鍵，因為它對成本、效率和安全性都有影響。

K系數較高的變壓器一般比K系數較低的變壓器更大，因此要根據數據中心的諧波曲線選擇合理的K系數，從而在尺寸、效率和耐熱能力之間取得最佳平衡。下表給出了針對電氣系統中不同百分比非線性電流的適當K系數。

帶K-13級變壓器（和大尺寸中性線）的配電單元(PDU)可以有效地處理諧波電力。帶K20級變壓器的配電單元很常見，但對于多數現代數據中心來說過大。

使用諧波減緩式變壓器

K級干式變壓器在電氣環境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設計中的最新進步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。

諧波減緩式變壓器(HMT)用于處理電氣系統的非線性負載。該變壓器利用電磁減輕技術專門處理三倍序號(第3、9、15…..)諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環流。該變壓器也通過使用相轉移處理第5和第7諧波。

利用這兩種電磁技術，HMT允許負載按照其廠家設計的方式工作，同時將諧波對能耗和失真的影響降至最低。多數HMT超過了NEMA TP-1效率標準，即使在使用100%非線性負載進行檢測時。只要規定了K級變壓器，等效HMT就可以作為直接代用品。

使用HMT的主要優點

? 防止非線性負載造成的電壓平頂

? 減小上游諧波電流

? 消除變壓器過熱和工作溫度過高

? 消除一次繞組環流

? 通過減少諧波損耗達到節能

? 維持高能效，即使在非線性負載較為嚴重的情況下

? 處理K級變壓器不能解決的電力質量諧波問題

? 適合K系數較高的負載，而不會增大涌入電流

? 提高功率因數

其他諧波減輕方法

首次設計數據中心時，HMT是變壓器的首選。然而，如果現有數據中心存在諧波問題，可使用鋸齒形自動變壓器限制三倍序號諧波及第5、第7諧波的影響。

鋸齒形自動變壓器是一種只有一次繞組而沒有二次繞組的中性形成變壓器。每個鐵芯有兩個一次繞組，它們按相反方向繞線，對正常相電流提供了較高的阻抗。

當靠近負載放置時，鋸齒形自動變壓器可以捕獲三倍序號諧波。這種自動變壓器的規格必須大到足以處理諧波。三倍序號諧波將僅限于自動變壓器和該負載，從而防止上游配電設備遇到諧波。然而，自動變壓器不能用于把電壓改為與電源(電壓)不同的水平。

可以通過上述自動變壓器與一條二次饋線并聯來消除三倍序號諧波、第5、第7諧波。這條饋線一般由不同電源供電。自動變壓器和這條二次相轉移電源一起共同捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。這種應用相當棘手，因為這兩個電源都要承載平衡負載，才能有效捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。

但這兩種應用對于消除有害諧波十分有效。然而，安裝單臺諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設備最具成本效益的方法。

小結

諧波電流對配電系統極其饋電的設施具有重大影響。在規劃系統擴建或改造時一定要考慮諧波的影響。此外，確定非線性負載的規模和位置也是所有維護、故障排除和修理計劃的重要組成部分之一。

其他參考資料

[1] 處理配電系統中的諧波，Victor A. Ramos Jr.

[2] Controlled Power公司的應用說明

[3] Mirus International諧波和諧波減緩式變壓器

[4] Power System Engineering(公司名)的電力系統諧波介紹

[5] Energy Vortex公司的應用說明