諧波治理市場趨勢

諧波治理歷史記錄

20世紀20年代末，人們開始注意到電力系統(tǒng)非線性負載會產(chǎn)生諧波。20世紀50年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，大量非線性負載給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波干擾。20世紀70年代以來，由于諧波所造成的危害日趨嚴重，世界各國對諧波問題都予以充分的關(guān)注，國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議。最近40年，世界各國對電力系統(tǒng)諧波問題的研究已超過了電力系統(tǒng)自身的研究范疇，并且取得了前所未有的發(fā)展。 
20世紀70年代前，諧波治理處于無源濾波器（PF：PassiveFilter,也稱濾波器）時代。作為無源濾波器的LC濾波器，由濾波電容器、濾波電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成。因為其具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運行可行性高、運行費用較低等優(yōu)點成為應(yīng)用最多的諧波補償裝置。但其工作原理決定其存在固有缺陷。

首先，諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進行濾波，且LC（電容和電抗）參數(shù)的漂移會導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)，難以保證濾波效果。其次，只能抑制按設(shè)計要求規(guī)定的諧波成分，有時由于高次諧波的成分復(fù)雜，必須同時加入多個濾波電路，使整個無源濾波裝置的體積增大、損耗增加；同時考慮到成本問題，不能僅靠增加無源濾波器數(shù)量來提高濾波效果。最后，電網(wǎng)中的某次諧波電壓可能在LC網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流。

20世紀70年代后，諧波治理進入有源濾波器（APF：ActivePowerFilter）時代。諧波源一般為非線性負載，如整流器等,供電系統(tǒng)一般為保護對象。與無源濾波器相比，APF是一種主動性型的補償裝置，具有較好的動態(tài)性能。特別是基于電壓源型的APF,結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、損耗小、價格便宜以及容易實現(xiàn)多重化，從而降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率。因此，在工業(yè)領(lǐng)域，這種APF,通常被考慮為優(yōu)先研發(fā)的應(yīng)用項目。當(dāng)前，有源濾波器(APF)應(yīng)用于用戶端電力諧波抑制，被認為是最有效的抑制諧波的方法。 

諧波治理設(shè)備發(fā)展規(guī)模

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國電能質(zhì)量治理產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》通過對一些用電負荷的分析測試，冶金行業(yè)的諧波含量約為30-35%，化工、制藥、建材行業(yè)諧波含量約為30%，民用及辦公負荷的諧波含量不低于10%，由此估計全部電力負荷中諧波含量不低于15%，照此測算，2016年諧波功率達到1.38億千伏安，而這些諧波大部分沒有得到有效治理。

圖表1：2010-2016年中國諧波治理需求（單位：億千瓦時，億kw，億千伏安，%）

                    資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

受益于產(chǎn)業(yè)政策支持、下游應(yīng)用市場需求拉動及電力電子行業(yè)內(nèi)部不斷進步，近年來我國諧波治理設(shè)備市場規(guī)模快速增長。按照諧波治理設(shè)備單價1200元/千伏安測算，2010-2016年諧波治理設(shè)備市場總?cè)萘繛?68億元（2014、2015年和2016年分別為148億元、202億元和248億元），可以看到2012年市場規(guī)模增速有較大幅度下降，但仍處于較高水平。

圖表2：2010-2016年諧波治理設(shè)備市場規(guī)模及同比增長（單位：億元，%）

            資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

中國諧波治理設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

在市場應(yīng)用方面，有源濾波裝置將來必然會在電能質(zhì)量治理產(chǎn)品市場占據(jù)主導(dǎo)地位，APF（包括SVG）的優(yōu)異性能將在輸配電樞紐站、電氣化鐵路、電弧爐、軋鋼等重要的電力負荷中得到充分應(yīng)用。相信未來APF的自主產(chǎn)品將逐步取代國外進口產(chǎn)品，其價格也將日趨降低，應(yīng)用也更為廣泛。

圖表3：我國諧波治理主要應(yīng)用領(lǐng)域需求分析（單位：kA，億元，%）

                                                                              資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

諧波治理設(shè)備需求前景

“十三五”時期，我國將持續(xù)提高非化石能源發(fā)電比重，優(yōu)化配置好非化石能源發(fā)電品種，優(yōu)先發(fā)展水電和核電，以拉動和穩(wěn)定經(jīng)濟增長，促進電力結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展，保障電力中長期安全經(jīng)濟供應(yīng)。按照國家有關(guān)文件做好煤電節(jié)能減排升級改造，加快研究制定電能替代戰(zhàn)略，出臺電能替代產(chǎn)業(yè)政策，在工業(yè)和民用領(lǐng)域推廣“以電代煤”。

以此進行測算，2018-2023年間，全國用電量累計將達到424335億千瓦時，治理諧波總量將達到2.562億千伏安。諧波治理設(shè)備單價1200元/千伏安測算，則2018-2023年間我國諧波治理設(shè)備市場的容量將達到3074億元。

圖表4：2018-2023年中國諧波治理需求測算（單位：億千瓦時，億kw，億千伏安，%，億元）

  資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

醫(yī)療建設(shè)類項目

醫(yī)療行業(yè)各類型的精密醫(yī)療設(shè)備如CT、X光機、核磁共振機等醫(yī)療設(shè)備、大量的電梯設(shè)備、空調(diào)、計 算機、UPS以及變頻水泵紗統(tǒng)等，不僅諧波增加，而且負荷也呈現(xiàn)出波動的特性。之前醫(yī)院內(nèi)一般接固定電容補償、或者接觸器投切的電容器組，但在諧波環(huán)境下，這類傳統(tǒng)補償裝置越難以適應(yīng)補償要求，而且傳統(tǒng)的電容補償裝置會放大諧波，補償裝置自身的安全性都受到影響

            北京307醫(yī)院                                        濟南軍區(qū)總醫(yī)院                                 銀川市第一人民醫(yī)院

            南京第一人民醫(yī)院                                北京亦莊兒童醫(yī)院                             合肥第二人民醫(yī)院

            廣州兒童醫(yī)院                                       武漢現(xiàn)代人民醫(yī)院                             濱海中醫(yī)醫(yī)院

            哈爾濱人民醫(yī)院                                    內(nèi)蒙古人民醫(yī)院                                江蘇南通附屬醫(yī)院

            陜西腫瘤醫(yī)院                                        西安婦幼保健科研基地                     河南駐馬店醫(yī)院...

公共建設(shè)類項目

近年來，隨著電器自動化進程的不斷發(fā)展，計算機、熒光燈、不間斷電源以及變頻空調(diào)等非線性設(shè)備走進各辦公樓宇及千家萬戶，產(chǎn)生了大量的諧波。形式多樣的非線性負載產(chǎn)生的諧波電流如果不加抑制直接注入系統(tǒng)，會電網(wǎng)波形畸變，一方面導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，增加電網(wǎng)網(wǎng)損，造成火災(zāi)隱患，影響電網(wǎng)安全運行；另一方面，污染周圍的電氣環(huán)境，干擾其他的敏感設(shè)備正常運行。

             博鰲亞洲論壇                                     西安外國語                                         河北報業(yè)

             廣州時代中國                                     浙江臺州學(xué)院                                      山西大同體育場

             拉薩大劇院                                         黃金時代廣場                                     蘇州大劇院

             長春奧體中心                                     廣州日汽                                             濟南恒隆廣場

             天津東疆港                                         河南平頂山污水處理                           龍湖奧東地塊

             河北聯(lián)合大學(xué)                                     上海虹橋04地塊                                  大連京劇院...

石油化工類項目

由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大量泵類負載，并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應(yīng)用使得石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器的整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖整流將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，因此所產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次諧波為主。研究表明，諧波電流會使變壓器而產(chǎn)生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞。諧波的存在會使視在功率增加，對變壓器的使用效率產(chǎn)生重大的負面影響。同時，諧波對電力系統(tǒng)中的電容器、斷路器、繼電保護設(shè)備都有直接的負面影響。對于很多測量儀表，并不能測量出真實的均方根值而是測量出平均值，在諧波嚴重時，這樣的讀數(shù)會有較大的偏差，從而造成計量偏差。

             中石化勝利油田                                 華北油田                                            中德新能

             中石油大港油田                                 冀中能源股份                                     華友浦項新能源

             中海油海上鉆井平臺                          陽煤集團                                            華蘭生物工程

             中曼石油裝備                                     浙江嘉興日本電鍍廠                          湛江五洲生物科技

             渤海石油                                            內(nèi)蒙古伊泰化工                                 河北前進鋼鐵...

軌道交通類項目

軌道交通諧波主要來源于車輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置、照明、電梯、顯示屏、空調(diào)、排水等裝置，主要以5、7、11、13次諧波為主，也含有部分3次諧波。諧波消耗系統(tǒng)中的無功儲備，增加線路損耗，影響繼電保護、自動控制裝置的可靠運行，使用電設(shè)備的運行安全性下降，對通信、信號產(chǎn)生電磁干擾。諧波還會對線路中的其他無功補償裝置造成破壞性影響，同時無功補償裝置亦會放大諧波，形成惡性循環(huán)。軌道交通尤其是地鐵供電系統(tǒng)對供電可靠性要求非常嚴格，諧波是威脅其供電可靠性的主要誘因。

             山東省武警飛機場                                  魯南高鐵                                        北京豐臺站  

             西成高鐵                                                國航西南分公司                              D3803大連站

             鹽通鐵路                                                臨離高速                                         黔張常（龍山-桑植-

             西安咸陽國際機場                                  云桂鐵路                                         咸豐站）

             雄安高鐵                                                原神高速公路                                  地鐵西漳戰(zhàn)區(qū)... 

IT/通信/銀行類項目

隨著IT、通信/銀行業(yè)發(fā)展，為適應(yīng)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機房的運行需要，IT、通信/銀行配電系統(tǒng)中的UPS等諧波負載的使用容量在大幅上升。IT、通信/銀行低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等。不同廠家的設(shè)備產(chǎn)生諧波電流含量有較大的差異，但普遍都偏高，電流總諧波畸變率THDi甚至超過了50%(一般在30%以上)其中5次、7次、11次諧波電流最嚴重，有時也含有較多3次諧波。

            中國聯(lián)通濟南公司                                  北京綜合郵件處理中心                      溫州銀行    

            三星西安基地                                         浙江禾城銀行                                    濟南保稅區(qū)華芯產(chǎn)業(yè)基地 

            杭州平安銀行                                          海創(chuàng)大廈                                          江蘇天舜金融科技

            深圳百度大廈                                          瀚天天成科技                                   西安軟件新城

            河北銀行                                                 679保密局                                       昆明移動公司... 

其他

近年來，在工業(yè)革命熱潮下，工業(yè)控制系統(tǒng)在航海、制造業(yè)、電力、交通、研究等行業(yè)均產(chǎn)生較大的影響此發(fā)展運行過程后非線性設(shè)備產(chǎn)生了大量的諧波。形式多樣的非線性負載產(chǎn)生的諧波電流如果不加抑制直接注入系統(tǒng)，會電網(wǎng)波形畸變，一方面導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，增加電網(wǎng)網(wǎng)損，造成火災(zāi)隱患，影響電網(wǎng)安全運行；另一方面，污染周圍的電氣環(huán)境，干擾其他的敏感設(shè)備正常運行。

              青島啤酒                                               柳州五菱                                          天津濱海監(jiān)獄

              萊鋼集團                                               南水北調(diào)河原項目                            臨江商務(wù)

              超威電池                                               天士力制藥                                       犍為鳳紙業(yè)

              錦州港集團                                           海亮銅業(yè)                                           華控節(jié)能

              嘉峪關(guān)中核404項目                              長山藥業(yè)                                           華海藥業(yè)

              恒泰紡織                                               隆科特新建廠區(qū)                                山西平遙監(jiān)獄

              太行潤源食品                                        長三角CD棟                                      山東濟華燃氣...