引言谐波是对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常被称为高次谐波。目前，我国污水处理厂的电气设备逐步向大规模、高功率转型，电气设计时的变频器使用频率逐步增大，提升了污水厂的作业能力和控制能力，但变频器产生的谐波会破坏电网的周期性标准波形，导致电气系统出现变压器和电机过热、信号干扰、测量和保护设备的干扰、谐波共振等不良现象。因此，提出两种电气设计优化方案，结合不同电器元件和滤波装置，抑制谐波的产生，将谐波量控制在合理范围之内，避免谐波对电网及其他电气设备造成损害，为谐波治理方案提供新思路。1谐波的产生原因1.1谐波电压畸变率理想状态下，电气系统的电压波形应为周期性标准正弦波。但污水厂的部分电气设备具有非线性阻抗特性，非线性负载能够造成电源侧电流失真，从而产生谐波电压。谐波使电气设备的运行电压偏离标准正弦波，此类偏离现象为谐波电压畸变[1]。谐波电压畸变受电气系统阻抗、故障谐波电流和谐波分量的电压降三项指标控制。其中，谐波分量的电压降总量与谐波电压畸变率相等。不同的电气系统中的谐波电压畸变率具有不同的表现。电气系统规模较大、电流量较高时，短路故障电流会导致电气系统阻抗降低、故障谐波电流升高，进而产生谐波电压畸变；电气系统规模较小、电流量较低时，短路故障电流会导致电气系统阻抗升高、故障谐波电流降低，进而产生谐波电压畸变[2]。1.2谐波电流与谐波分量污水厂电气系统中，变频器可被视作谐波电流源，一个运行周期内傅里叶级数中次数超过1的整数倍分量为谐波分量，计算电气系统中的特征谐波分量：A=n×k±1 (1)式中：A——谐波分量；n——单位运行周期（正整数）；k——变频器整流桥的脉冲数量。以3相6脉冲为例，A=n×6±1=5、7、11……，利用公式(1)可以将谐波分量的计算过程总结成粗略的经验法则。谐波电流约等于变频器运行频率除以谐波次数，谐波电流和谐波次数成反比[3]。1.3谐波失真度量化指标谐波失真度分为电压失真和电流失真，可以利用总谐波畸变率量化，并用百分比形式展示。以污水厂电气系统中通用的公共连接点x为例，计算公共连接点x的电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率：Pv=∑A=2∞Vx2Vx×100% (2)Pi=∑A=2∞Ix2Ix×100% (3)式中：Pv、Pi——电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率，%；Vx和Ix——公共连接点x处的最大负荷电压值和最大负荷电流值。电气系统中线性负载的数量和谐波失真度成反比[4]。2谐波控制及治理的电气设计优化方案2.1自动投切电容器(MSC)+滤波装置(FS)优化方案优化方案主要通过自动投切电容器和滤波装置的耦合实现谐波控制，装置主要包括控制器、自动投切电容器组和固定电容器组共3部分。控制器主要负责检测电网运行情况，判断自动投切电容器组的投切动作时间，补充和控制补偿系统的无功功率容量；自动投切电容器组根据电网实际运行情况，等量划分多个电容器分组，并采用串联的形式接入电抗器。真空断路器下达工作指令时，各电容器分组进行投切动作，将电网中的谐波隔离在电气系统外部；固定电容器组能够配合自动投切电容器组进行投切动作，对隔离的谐波进行控制，通过滤波通道消化谐波。自动投切电容器(MSC)+滤波装置(FS)优化方案的电气原理如图1所示[5]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.005.F001图1自动投切电容器（MSC）+滤波装置（FS）优化方案的电气原理自动投切电容器(MSC)+滤波装置(FS)优化方案的结构简单、耦合性较高，具备成本低、使用简单、体积较小的优势。控制器具有检测电网运行情况的功能，在实际应用过程中能够将无功功率的电容补偿值控制在合理范围，不会对电网造成负载过量、电压过高等二次损害，安全性较好。但自动投切电容器(MSC)+滤波装置(FS)优化方案被应用在规模较大的电气系统时，可能由于电路负载过多，造成涌流过大的现象，导致其他电气元件受损。该方案无法进行频繁的投切动作，针对谐波危害严重的电气系统，治理能力有限[6]。2.2相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)优化方案优化方案主要是通过相控电抗器和滤波装置的耦合实现谐波控制，装置主要包括相控电抗器、固定电容器组补偿和阀控共3部分。相控电抗器是优化方案的核心元件，能够将高压母线和应用回路连接在晶闸管两侧，使用晶闸管代替无功功率补偿装置，对电网容量进行控制；固定电容器组补偿由电控器和电容器组构成，在电气系统运行过程中，能够对电网进行实时监测，进而判断谐波畸变率的强度，实现对电力系统整体的无功功率补偿；阀控是优化方案的控制部分，能够通过晶闸管控制相控电控器，通过控制器元件控制高压母线的监测功能。相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)优化方案的电气原理如图2所示[7]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.005.F002图2相控电抗器（TCR）+滤波装置（FS）优化方案的电气原理相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)优化方案的结构相对复杂、成本较高、占地面积较大，但应用优势显著，能够实现谐波的快速响应，在18 ms内完成谐波的控制；方案具备分相调控功能，针对不同相位的不对等谐波情况，能够实现区分调控，提升谐波治理效率，减少能源消耗；方案具备大范围调控功能，针对规模较大的污水处理厂，方案能够实现覆盖性谐波治理，无功功率补偿区间为0~100%自由控制[8]。3算例分析基于江苏省苏州市某污水处理厂的实际谐波数据，进行算例分析。污水处理厂的规模较大、投资成本较高，单日污水处理量达20万t。污水处理厂电气设计优化前的谐波数据[9-10]如表1所示。污水处理厂的谐波损害情况较为严重，属于典型的变频器调速装置导致的谐波扩散现象，电网波形从周期性标准波形变为不规则波动，经过实际使用时的观察，电气装置已经出现变压器和电机持续升温、检测和保护设备响应不及时以及不同程度的谐波共振情况。因此，选取相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)的方案进行电气系统优化。相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)优化后的污水厂谐波数据如表2所示[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.005.T001表1污水处理厂电气设计优化前的谐波数据谐波次数电流/A谐波含量/%1595.5100.0039.52.845110.933.78751.69.4893.51.611145.78.251335.76.19152.41.371724.13.78199.82.91211.81.262322.03.36255.31.99271.71.232921.71.21314.31.77331.61.22359.52.85373.51.51391.61.2010.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.005.T002表2相控电抗器（TCR）+滤波装置（FS）优化后的污水厂谐波数据谐波次数电流/A谐波含量/%1336.6100.0038.93.1258.13.14714.34.4592.61.521123.16.171317.85.86151.81.33179.53.61198.63.42211.71.26239.13.22253.81.90271.61.23298.83.21313.31.74331.41.20357.22.85373.21.51391.31.20由表2可知，优化前谐波含量较高的5、7、11、13次谐波均显著改善，优化后谐波含量最高值为6.17%，其他波次的谐波控制较为均衡，能够恢复周期性标准电网波形，将谐波危害控制在可接受范围，提升电网的整体运行质量[12]。4结语在污水厂的电气设计中安装变频器调速装置，能够有效控制电能消耗，节约投入成本，但变频器可能作为谐波电流源，产生大量谐波，干扰电网正常运行。本文提出自动投切电容器(MSC)+滤波装置(FS)和相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)两种控制和治理谐波的污水厂电气设计优化方案，并以污水厂实际数据进行算例分析，发现采用相控电抗器(TCR)+滤波装置(FS)优化方案时，谐波得到有效控制，供电质量显著提升，验证了优化方案对谐波治理的有效性。