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电力系统中的谐波及谐波抑制的方法
作者:林德安    文章来源:本站原创    点击数:12850    更新时间:2006-8-21

 

电力系统中的谐波及谐波抑制的方法

 

林德安

 

  要:本文主要介绍了电力系统中谐波的危害及目前电力系统中进行谐波抑制常用的方法

关键词:电力系统  谐波  谐波抑制

 

1  前言

 

我们知道,在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态,为用户提供高效使用电能的手段。但是,电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重,影响了供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理,研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。

 

2  谐波及其起源

 

所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,通常也称之为高次谐波。

谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变,由于负荷与电网相连,故谐波电流注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类:含半导体的非线性元件,如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备;含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如日光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。

    国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代,当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入70年代后,随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用,谐波问题日趋严重,从而引起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如电气与电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GBT1454993《电能质量公用电网谐波》,标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。

 

3  高次谐波的危害

 

    谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在:

    1)谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声;对断路器,当电流波形过零点时,由于谐波的存在可能造成高的didt,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间。

    2)谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应,使线路电阻随频率增加而提高,造成电能的浪费;由于中性线正常时流过电流很小,故其导线较细,当大量的三次谐波流过中性线时,会使导线过热,损害绝缘,引起短路甚至火灾。

3)使电网中的电容器产生谐振。工频下,系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多,不会产生谐振,但谐波频率时,感抗值成倍增加而容抗值成倍减少,这就有可能出现谐振,谐振将放大谐波电流,导致电容器等设备被烧毁。

4)谐波将使继电保护和自动装置出现误动作,并使仪表和电能计量出现较大误差。

谐波对其他系统及电力用户危害也很大:如对附近的通信系统产生干扰,轻者出现噪声,降低通信质量,重者丢失信息,使通信系统无法正常工作,影响电子设备工作精度,使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短,家用电器工况变坏等。

 

4  谐波抑制方法

 

    在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内,抑制谐波电流主要有三方面的措施:

4.1 降低谐波源的谐波含量
    也就是在谐波源上采取措施,最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极,能够提高电网质量,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有:

4.11 增加整流器的脉动数

   整流器是电网中的主要谐波源,其特征频谱为:nKp±1,则可知脉冲数p增加,n也相应增大,而In≈I1n,故谐波电流将减少。因此,增加整流脉动数,可平滑波形,减少谐波。

4.12 脉宽调制法

    采用PWM,在所需的频率周期内,将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

4.13 三相整流变压器采用YΔΔY的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波,这是抑制高次谐波的最基本的方法。

4.2 在谐波源处吸收谐波电流

    这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种:

4.2.1 无源滤波器

    无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由LCR元件构成谐振回路,当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时,即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响;对某些次谐波有放大的可能;耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

4.2.2 有源滤波器

    早在70年代初期,日本学者就提出了有源滤波器APFActive Power Filter)的概念,即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。

    与无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践,而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高,有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

4.2.3 防止并联电容器组对谐波的放大

    在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。

4.2.4 加装静止无功补偿装置

    快速变化的谐波源,如:电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置,可有效减小波动的谐波量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因数。

4.3 改善供电环境

    选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡,可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电,减少谐波对其它负荷的影响,也有助于集中抑制和消除高次谐波。

 

5  小结

 

    随着我国电能质量治理工作的深入开展,基于瞬时无功功率理论的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题,是电力企业当前面临的一大课题。但是要消除谐波污染,除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外,还必须依靠全社会的努力,在设计、制造和使用非线性负载时,采取有力的抑制谐波的措施,减小谐波侵入电网,从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。

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