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摘要:本文作者主要就電力系統(tǒng)諧波的危害做了闡述,同時對我國目前電力系統(tǒng)中進行諧波抑制常用的方法進行了分析。

關(guān)鍵詞:諧波危害;諧波抑制;治理措施

前言

在電力系統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài),為用戶提供高效使用電能的手段。但是,電力電子裝置的廣泛應用也使電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴重,影響了供電質(zhì)量。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。因而了解諧波產(chǎn)生的機理,研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行有著非常積極的意義。

1.諧波及其起源

在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,第3、5、7次編號的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波,如基波為50Hz時,2次諧波為l00Hz,3次諧波則是150Hz。一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。對于三相整流負載,出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

2.諧波的主要危害

諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴重的,主要表現(xiàn)在:

2.1諧波對線路的影響

對供電線路來說,由于集膚效應和鄰近效應,線路電阻隨著頻率的增加會很快增加,在線路中會有很大的電能浪費。另外,在電力系統(tǒng)中,由于中性線電流都很小,所以其線徑一般都很細,當大量的諧波電流流過中性線時,會在其上產(chǎn)生大量的熱量,不僅會破壞絕緣,嚴重時還會造成短路。甚至引起火災。而當諧波頻率與網(wǎng)絡諧振頻率相近或相同時,會在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓。嚴重時會使電力系統(tǒng)或用電設(shè)備的絕緣擊穿,造成惡性事故。

2.2對電力變壓器的影響

諧波電流的存在增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及銅損,對帶有不對稱負荷的變壓器來說,會大大增加勵磁電流的諧波分量。

2.3對電力電容器的影響

由于電容器對諧波的阻抗很小,諧波電流疊加到基波電流上,會使電力電容器中流過的電流有很大的增加,使電力電容器的溫升增高,引起電容器過負荷甚至爆炸。同時,諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中形成諧振,并又施加到電網(wǎng)中。

2.4對電機的影響

諧波會使電機的附加損耗增加,也會產(chǎn)生機械震動,產(chǎn)生甚至引起諧波過電壓,使得電機絕緣損壞。

2.5對繼電保護和自動裝置的影響

對于電磁式繼電器來說,電力諧波常會引起繼電保護以及自動裝置的誤動作或拒動,造成整個保護系統(tǒng)的可靠性降低,容易引起系統(tǒng)故障或使系統(tǒng)故障擴大。

2.6對通信線路產(chǎn)生干擾。

在電力線路上流過幅度較大的奇次低頻諧波電流時,通過電磁耦合,會在鄰近電力線路的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓。干擾通信線路的正常工作,使通話清晰度降低,甚至會引起通信線路的破壞。

2.7對用電設(shè)備的影響

電力諧波會使電視機、計算機的顯示亮度發(fā)生波動,圖像或圖形發(fā)生畸變,甚至會使機器內(nèi)部元件損壞,導致機器無法使用或系統(tǒng)無法運行。

3.諧波抑制方法

在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流,以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi),抑制諧波電流主要有三方面的措施:

3.1采取脈寬調(diào)制(PWM)法

采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),在所需要的頻率周期內(nèi),將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流電壓脈沖,這種方法可以大大抑制諧波的產(chǎn)生。

3.2降低諧波源的諧波含量

也就是在諧波源上采取措施,最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極,能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量,可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費用。具體方法有:

3.2.1增加整流器的脈動數(shù)

高次諧波電流與整流相數(shù)密切相關(guān),即相數(shù)增多,高次諧波的最低次數(shù)變高,則諧波電流副值變小。一般可控硅整流裝置多為6相,為了降低高次諧波電流,可以改用12相或34相。當采用12相整流時,高次諧波電流只占全電流的10%,危害性大大降低。

3.2.2脈寬調(diào)制法

采用PWM,在所需的頻率周期內(nèi),將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。

3.2.3三相整流變壓器采用Y-d(Y△)或D、Y(△Y)的接線

當兩臺以上整流變壓器由同有一段母線供電時,可將整流變壓器一次側(cè)繞組分別交替接成Y型和△形,這就可使5次、7次諧波相互抵消,而只需考慮11次、13次諧波的影響,由于頻率高,波幅值小,所以危害性減小。

3.3在諧波源處吸收諧波電流

這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法,這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種:

3.3.1無源濾波器

無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè),由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路,當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時,即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點,無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響;對某些次諧波有放大的可能;耗費多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。

3.3.2有源濾波器

與無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應性,能補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應用到實踐,而我國還僅應用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高,有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù),其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

3.3.3防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當諧波存在時,在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用,危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器,或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器,還可以采取限定電容器組的投入容量,避免電容器對諧波的放大。

3.3.4加裝靜止無功補償裝置

快速變化的諧波源,如:電弧爐、電力機車和卷揚機等,除了產(chǎn)生諧波外,往往還會引起供電電壓的波動和閃變,有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補償裝置,可有效減小波動的諧波量,同時,可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數(shù)。

3.4改善供電系統(tǒng)及環(huán)境

對于供電系統(tǒng)來說,諧波的產(chǎn)生不可避免,但通過加大供電系統(tǒng)短路容量、提高供電系統(tǒng)的電壓等級、加大供電設(shè)備的容量、盡可能保持三相負載平衡等措施都可以提高電網(wǎng)抗諧波的能力。選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網(wǎng)供電,承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電,減少諧波對其它負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。

4.結(jié)語

隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展,綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時考慮電網(wǎng)的無功功率補償問題,是電力企業(yè)當前面臨的一大課題。針對這一課題深入研究,在設(shè)計、制造和使用非線性負載時,采取有力的抑制諧波的措施,不僅能夠改善整個網(wǎng)絡的電力品質(zhì),同時也能延長用戶設(shè)備使用壽命,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低電磁污染環(huán)境,減少能耗,提高電能利用率。超級秘書網(wǎng)：

參考文獻

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