北京領(lǐng)步—3次諧波電流濾波器的節(jié)電降耗

返回列表來(lái)源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時(shí)間：2016-05-18分享加入收藏關(guān)注：-

         LB3NBF是少有的具有顯著節(jié)電效果的電能質(zhì)量控制設(shè)備。雖然很多電能質(zhì)量控制設(shè)備都號(hào)稱(chēng)能夠節(jié)電，但是真正能夠從電費(fèi)中體現(xiàn)出來(lái)的并不多。一些電能質(zhì)量控制設(shè)備安裝上后，雖然電流明顯降低，但是并沒(méi)有明顯減少電費(fèi)支出。還有些設(shè)備，安裝后連電流都沒(méi)有明顯減小，如果電流都沒(méi)有減小，那么更談不上節(jié)電了。 本文領(lǐng)步專(zhuān)家講帶大家一起，對(duì)LB3NBF 的節(jié)電效果進(jìn)行分析。 

1、電費(fèi)支出的構(gòu)成 
         要討論安裝了某種設(shè)備是否可以節(jié)省電費(fèi)，首先需要了解電力公司是如何收取電費(fèi)的。 
         電力公司向企業(yè)收交的電費(fèi)包括兩部分，一部分是有功電費(fèi)，另一部分是無(wú)功電費(fèi)。有功電費(fèi)就是電度表上顯示出的讀數(shù)。無(wú)功電費(fèi)的收取方法通常是通過(guò)罰款的方式收取。也就是我們常說(shuō)功率因數(shù)罰款。當(dāng)功率因數(shù)低于某個(gè)數(shù)值時(shí)，電力公司會(huì)收取額外的無(wú)功電費(fèi)。 
         需要注意的是，目前電力公司僅關(guān)注相移功率因數(shù)，而不關(guān)注真功率因數(shù)。相移功率因數(shù)就是由于電壓、電流之間存在相位差（?）而導(dǎo)致的功率因數(shù)，也就是我們常說(shuō)的 COS ?。實(shí)際上，諧波電流也會(huì)降低功率因數(shù)。這兩部分功率因數(shù)都考慮的綜合結(jié)果就是真功率因數(shù)。目前電力公司收取的功率因數(shù)罰款僅是相移功率因數(shù)部分的罰款。 

2、如何節(jié)省電費(fèi)支出 
         了解了電費(fèi)的構(gòu)成以后，我們可以知道，要節(jié)省電費(fèi)，一個(gè)是減小有功功率，另一個(gè)是提高相移功率因數(shù)。 

2.1 節(jié)省電能的極限 
         本節(jié)討論在一個(gè)系統(tǒng)中，我們究竟可以節(jié)省多少電能，更主要的是介紹一種分析節(jié)能效益的方法。使讀者能夠判斷市場(chǎng)的一些節(jié)電產(chǎn)品的真?zhèn)巍?nbsp;
         首先，我們需要樹(shù)立一個(gè)觀(guān)念，這就是：只有被浪費(fèi)掉的電能才能夠被節(jié)省，真正用來(lái)作功的能量是無(wú)法節(jié)省的。 這是一個(gè)通用的概念，不僅適合于節(jié)電。例如，汽車(chē)要節(jié)省燃油，只能通過(guò)司機(jī)改正不良的駕駛習(xí)慣來(lái)節(jié)省，例如少剎車(chē)，少急加速，而不能通過(guò)少運(yùn)貨物來(lái)節(jié)省。 
         我們可以采用不同的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電，但是我們能夠獲得的Z大節(jié)電效益就是我們浪費(fèi)掉的那部分。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)浪費(fèi)的電能在 1~4%的范圍，那么這個(gè)范圍就是節(jié)電的Z大潛能。任何節(jié)電方法號(hào)稱(chēng)能夠超過(guò)這個(gè)范圍都是不符合科學(xué)的。 需要注意的是，節(jié)能并不意味著節(jié)省電費(fèi)支出。由于現(xiàn)有電費(fèi)構(gòu)成的不完整性，我們節(jié)省的電能并不是都能夠體現(xiàn)在電費(fèi)減少里面。這就像一個(gè)司機(jī)的駕駛技術(shù)很好，比其他司機(jī)節(jié)省了 10%的燃油，但并不意味著他的工資比其他司機(jī)高 10%。 

2.2 節(jié)省電費(fèi)支出的努力方向 
         就目前的電費(fèi)構(gòu)成而言，節(jié)省電費(fèi)支出有兩個(gè)方面可以嘗試。 
         第一，提高功率因數(shù)：就是看目前相移功率因數(shù)是否過(guò)低，電力公司是否在收取功率因數(shù)罰款。如果在交費(fèi)單中確實(shí)存在功率因數(shù)罰款的部分，那么提高功率因數(shù)就能夠節(jié)省這部分開(kāi)支，甚至還能夠獲得獎(jiǎng)勵(lì)。如果目前的電費(fèi)支出中沒(méi)有包含功率因數(shù)罰款，那么即使提高了功率因數(shù)，也不會(huì)有明顯的電費(fèi)節(jié)省。 
         例如，某個(gè)企業(yè)由于功率因數(shù)過(guò)低，每個(gè)月要被收繳 1000 元的功率因數(shù)罰款，那么采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢⒐β室驍?shù)提高到電力局規(guī)定的數(shù)值以上，就可以節(jié)省 1000 元的電費(fèi)支出。當(dāng)然，如果電力局不收繳功率因數(shù)罰款，那么提高功率因數(shù)就不能獲得電費(fèi)的節(jié)省。 
         第二，減少有功功率：例如，某個(gè)商廈，大屏幕廣告的功率是 50kW，如果將廣告照明的時(shí)間縮短 1 小時(shí)，每天節(jié)省 50 度電，每個(gè)月可以節(jié)省 1500 度電。當(dāng)然，我們關(guān)注的不是這種節(jié)電方式，我們關(guān)注的是在保證同樣的照明時(shí)間條件下，如何省電。我們要節(jié)省除了用來(lái)使屏幕發(fā)光的能量以外的能量，這部分主要是線(xiàn)路的熱損耗。 大部分電能的有功功率是以發(fā)熱和發(fā)光來(lái)體現(xiàn)的。對(duì)于照明設(shè)備而言，減少發(fā)熱就是節(jié)電。當(dāng)前的節(jié)能燈和 LED燈就是通過(guò)減少發(fā)熱來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電的。我們安裝電能質(zhì)量控制設(shè)備（如LB3NBF），主要通過(guò)降低線(xiàn)路的熱損耗來(lái)達(dá)到節(jié)電的效果。 

3、LB3NBF節(jié)電效果分析 
         LB3NBF的主要功能是降低系統(tǒng)中的三次諧波電流。而三次諧波電流是導(dǎo)致線(xiàn)路能量損耗的主要原因，這部分能量損耗屬于有功功率。因此，只要節(jié)省掉這部分損耗，就達(dá)到了節(jié)省電費(fèi)的目的。 
          我們的思路是，先計(jì)算系統(tǒng)中包含三次諧波電流時(shí)，線(xiàn)路上的有功功率損耗。然后，再計(jì)算系統(tǒng)中沒(méi)有三次諧波電流時(shí)，系統(tǒng)線(xiàn)路上的有功功率損耗，兩者之差就是三次諧波電流產(chǎn)生的損耗。而這也是LB3NBF能夠節(jié)省的有功功率。

3.1 系統(tǒng)中有三次諧波電流時(shí)產(chǎn)生的損耗 
         我們用圖 1 所示的電路模型來(lái)進(jìn)行分析。在分析中做以下假設(shè)： 
         1) 三次諧波電流占基波電流的 80%（這符合電腦、節(jié)能燈、LED 屏等情況）； 
         2) 不考慮其他次數(shù)諧波電流的影響； 
         3) 不考慮趨膚效應(yīng)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)電阻的影響（3 次諧波的頻率為 150Hz，趨膚效應(yīng)不明顯）； 
         4) 零線(xiàn)導(dǎo)體的截面積與相線(xiàn)導(dǎo)體的截面積相等，他們的電阻都為 R； 
         5) 分析計(jì)算中，只考慮基波和 3 次諧波（單項(xiàng)供電線(xiàn)路中的諧波絕大部分為 3 次諧波）； 
         6) 系統(tǒng)的相移功率因數(shù)為 1，也就是有功功率 P=IU。

圖 1 三次諧波電流在系統(tǒng)中的損耗

         三次諧波造成的損耗包括四個(gè)部分： 
         P0：3 次諧波電流在變壓器上的損耗， 
         P1：3 次諧波電流在相線(xiàn)上產(chǎn)生的損耗 
         P2：3 次諧波電流在分零線(xiàn)上產(chǎn)生的損耗 
         P3：3 次諧波電流在公共零線(xiàn)上產(chǎn)生的損耗 
         總的損耗 P 為： P= P0 + P1 + P2 + P3 

P0 的計(jì)算：
         暫時(shí)忽略不計(jì)。根據(jù)伊頓（Eaton）公司的報(bào)告，當(dāng)負(fù)載全部為諧波源時(shí)，變壓器的效率比全部負(fù)載為線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，低 1%。也就是，P0 可以按照 1%估算。 
P1 的計(jì)算： 
         包含三次諧波電流時(shí)，總電流有效值為：

         它在相線(xiàn)上產(chǎn)生的功耗為：

         I²R就是每根相線(xiàn)導(dǎo)體的基波頻率電流的損耗。對(duì)于三相系統(tǒng)，需要考慮三根相線(xiàn)的損耗，也就是 3×1.64=4.92。 
P2 的計(jì)算： 
         如果分開(kāi)的零線(xiàn)較短，電阻較小，可以忽略。 
P3 的計(jì)算： 
         如果沒(méi)有三次諧波電流，公共零線(xiàn)上的電流為 0A。 當(dāng)三次諧波電流存在時(shí)，三次諧波電流在零線(xiàn)上疊加。因?yàn)椋肯嗟娜沃C波電流為 0.8I，所以在零線(xiàn)上疊加后，為 2.4I。因此，它在零線(xiàn)上產(chǎn)生的功耗為：

3.2 安裝LB3NBF后的節(jié)電效果 
         本節(jié)計(jì)算安裝LB3NBF后，P1、P3 的數(shù)值，他們與沒(méi)有安裝LB3NBF時(shí)的差值就是節(jié)電的效果。 根據(jù)測(cè)試，安裝LB3NBF后，可以將相線(xiàn)、零線(xiàn)上的 3 次諧波電流減小為原來(lái)的 10%左右。因此，相線(xiàn)上的 3 次諧波電流從 0.8I 降低為 0.08I，零線(xiàn)上的 3 次諧波電流從 2.4I 降低到 0.24I。 這時(shí)，線(xiàn)路上的損耗計(jì)算如下。 
P1 的計(jì)算： 
         總電流有效值為：

P3 的計(jì)算： 
         因?yàn)椋肯嗟娜沃C波電流為 0.08I，所以在零線(xiàn)上疊加后，為 0.24I。因此，它在零線(xiàn)上產(chǎn)生的功耗為：

         顯然，節(jié)省的電能與線(xiàn)路的損耗有關(guān)，這符合上面給出的“浪費(fèi)的電能才能被節(jié)省”的原則，浪費(fèi)的電能越多，節(jié)省的電能越多。 
        上面的分析計(jì)算中，沒(méi)有考慮 3 次諧波電流在變壓器上的損耗 P0 和單獨(dú)零線(xiàn)上的損耗 P2，如果將這兩部分也計(jì)入，節(jié)電潛能更大。

3.3LB3NBF節(jié)電的功率分析方法 
         線(xiàn)路損耗可以用線(xiàn)路上的電壓來(lái)表示，設(shè)線(xiàn)路上的電壓降為 U，額定電流為 I，則線(xiàn)路的損耗為 IU。 用線(xiàn)路的電壓降表示更加方便，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值是Z容易實(shí)測(cè)得到。 如果電壓降為額定電壓的 1%，就意味著線(xiàn)路上的損耗為額定功率的 1%。額定功率用 P 表示，則線(xiàn)路損耗為 0.01P。

         同樣需要指出的是，這里的計(jì)算數(shù)據(jù)忽略了三次諧波電流在變壓器和單獨(dú)零線(xiàn)上的損耗，如果考慮這部分，節(jié)電效果可以提高 1~2 個(gè)百分點(diǎn)，具體數(shù)值與變壓器的構(gòu)造有關(guān)。

4、結(jié)論 
         1) LB3NBF確實(shí)具有明顯的節(jié)省電費(fèi)的效果； 
         2) LB3NBF的節(jié)電效果來(lái)自于它能夠降低配電系統(tǒng)線(xiàn)路損耗，特別是降低零線(xiàn)的損耗； 
         3) 一般諧波治理措施由于僅在變壓器下端的母線(xiàn)上治理，不會(huì)有顯著電效果。要通過(guò)諧波治理取得節(jié)電的效果，必須在諧波源處治理，通過(guò)降低線(xiàn)路損耗來(lái)獲得節(jié)省電費(fèi)的效果； 
         4) 工業(yè)配電系統(tǒng)中，由于沒(méi)有零線(xiàn)，即使在諧波源處治理，所獲得的節(jié)電效果低于 2%。

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