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

關鍵詞:諧波危害;諧波抑制;治理措施

前言

在電力系統中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態,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的諧波污染問題日趨嚴重,影響了供電質量。目前諧波與電磁干擾、功率因數降低已并列為電力系統的三大公害。因而了解諧波產生的機理,研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行有著非常積極的意義。

1.諧波及其起源

在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數,根據法國數學家傅立葉(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。在平衡的三相系統中,由于對稱關系,偶次諧波已經被消除了,只有奇次諧波存在。對于三相整流負載,出現的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產生5、7次諧波。

2.諧波的主要危害

諧波污染對電力系統的危害是嚴重的,主要表現在:

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。而當諧波頻率與網絡諧振頻率相近或相同時,會在線路中產生很高的諧振電壓。嚴重時會使電力系統或用電設備的絕緣擊穿,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中形成諧振,并又施加到電網中。

2.4對電機的影響

諧波會使電機的附加損耗增加,也會產生機械震動,產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,造成整個保護系統的可靠性降低,容易引起系統故障或使系統故障擴大。

2.6對通信線路產生干擾。

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對用電設備的影響

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

3.諧波抑制方法

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

3.1采取脈寬調制(PWM)法

采用脈寬調制(PWM)技術,在所需要的頻率周期內,將直流電壓調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生。這種方法比較積極,能夠提高電網質量,可大大節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

高次諧波電流與整流相數密切相關,即相數增多,高次諧波的最低次數變高,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脈寬調制法

采用PWM,在所需的頻率周期內,將直流電壓調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備的交流側,由L、C、R元件構成諧振回路,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。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點,無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。但無源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統參數的影響;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的不斷發展,人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。

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;濾波特性不受系統阻抗的影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險;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已應用到實踐,而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高,有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術,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的電能質量的方向發展。

3.3.3防止并聯電容器組對諧波的放大

在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時,在一定的參數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備的安全。可采取串聯電抗器,或將電容器組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,有的還會造成系統電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯裝設靜止無功補償裝置,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。

3.4改善供電系統及環境

對于供電系統來說,諧波的產生不可避免,但通過加大供電系統短路容量、提高供電系統的電壓等級、加大供電設備的容量、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的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電,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。公務員之家:

4.結語

隨著我國電能質量治理工作的深入開展,綜合動態的諧波治理措施并同時考慮電網的無功功率補償問題,是電力企業當前面臨的一大課題。針對這一課題深入研究,在設計、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絡的電力品質,同時也能延長用戶設備使用壽命,提高產品質量,降低電磁污染環境,減少能耗,提高電能利用率。

參考文獻

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