淺議電力諧波產(chǎn)生和治理

1、淺議電力諧波產(chǎn)生和治理摘要：近年來隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力電 子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，冶金、化工、鋼鐵、輕工、礦業(yè)、交通 和公共設(shè)施等部門的各種非線性干擾性負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致 電力系統(tǒng)中髙次諧波含量迅速增長(zhǎng)，引起供電電壓波形畸 變，增加了線損和用電設(shè)備的損耗，降低了電能質(zhì)量，造成 供用電設(shè)備損壞供電中斷的事故頻發(fā)，其直接或者間接損失 數(shù)以億元計(jì)。為保證電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文作者從設(shè) 計(jì)的角度出發(fā)，分析了電力諧波產(chǎn)生的原因，提出了一些治 理諧波的方法，同時(shí)也介紹了一些成功的治理經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)電 力用戶對(duì)整流設(shè)備的選擇，也供同行及相關(guān)人士參考、指正。關(guān)鍵字：電力諧波、非線性負(fù)荷、諧波分量、整流設(shè)備、

2、 開關(guān)電源設(shè)備。abstract： with the wide application of the rapid development of the national economy and power electronics technology, metallurgy, chemical industry, iron and steel, light industry, mining, transport and public facilities and other departments of various non-linear interference load rapid gr

3、owth in recent years, resulting in the power systemthe rapid growth of high harmonic content, causing the supply voltage waveform distortion, increase the line loss and the loss of the electrical equipment, reducing power quality, frequent accidents caused by damage to the power supply is interrupte

4、d for electrical equipment, its direct or indirect losses tobillions of dollars. to ensure the safe and stable operation of the elec trical equipme nt, the aut hor of t his arti cle, power harmonics generated from the design point of departure, made &#8203；&#8203；a number of governance harmo

5、nic method, but also introduced a number of successful management experience to guide power users rectifier equipment choice for peer reference, correct me. keywords： power harmonics, non-linear loads, harmonic components, rectifier equipment, switching power supply equipment.中圖分類號(hào)：tg434. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章

6、編號(hào)： 2095-2104 (2012)一、電力系統(tǒng)中諧波的來源電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè) 備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不可能是完善 的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真 的正弦波。目前我國(guó)應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極 機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。對(duì)于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn) 步，可控硅、igbt等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁 電流有交流分量，造成發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升?？煽毓?勵(lì)磁它的勵(lì)磁電流有交流分量是和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是同步的，而 igbt電子勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁電流有交流分量是固定頻率的，和

7、 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不能同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的 10%以上時(shí)，由于電機(jī)的鐵磁飽和，會(huì)使電壓的三次諧波明 顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上 時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓 偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都 比較小，比國(guó)家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不 是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。供電行業(yè)要調(diào)整 好配變的三相員荷基本平衡，否則會(huì)產(chǎn)生配變鐵磁飽和，產(chǎn) 生諧波電流。為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電 設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用 電設(shè)備主要有以下四大類：1、電弧加熱設(shè)

8、備:如電弧爐、電焊機(jī)等。2、交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電 鍍等。3、交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。4、開關(guān)電源設(shè)備:如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子 整流器等。這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波 各不相同，具體舉例分析如下：電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì) 有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧 電壓的非線性（如左圖）。此外，弧電流的波形還有一定的 非對(duì)稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備 對(duì)電網(wǎng)的諧波污染比較大。交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因時(shí)由于整流 設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零（

9、如左圖）。 這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入 了儲(chǔ)能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高， 加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電 流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污 染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣,它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波 分量不僅有低次諧波，也有高次諧波（如左圖）。雖然這類設(shè) 備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù) 量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引 起足夠關(guān)注。開關(guān)電源設(shè)備

10、目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流 整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級(jí)電流的開通和關(guān) 閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外, 開關(guān)電源的頻率比較高一般在40khz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn) 生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)，反射40khz左右的波至電源。 這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是面最廣、量最大 的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的 中心線電流居高不下，而且三次諧波還會(huì)通過配變污染到 10kv電網(wǎng)。二、諧波治理的基本方法目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又 可以采用變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理兩 種方法。按誰污染誰治理的原則，應(yīng)該采用

11、非線性用電設(shè)備 處分散治理。但對(duì)于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設(shè)備，則只 能進(jìn)行集中治理。1、減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離。也 就是減少系統(tǒng)阻抗，換句話說就是提高供電電壓等級(jí)。例如, 在麗水電業(yè)局的遂昌鋼廠就取得了不錯(cuò)效果，該鋼廠原是用 35kv供電，由兩個(gè)llokv變電所各架設(shè)一回35kv專線供電, 而它的主要用電設(shè)備是電弧爐，雖然進(jìn)行了五次、七次諧波 治理，但在llokv的35kv母線上測(cè)得諧波分量仍接近或稍 超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但在麗水局在遂昌新建了一個(gè)220kv變電所而 且離該鋼廠僅4km左右，用5回35kv專線供電，使35kv母 線的諧波分量控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，此外該廠還使用了較大 容量

12、的同步發(fā)電機(jī)，使這些非線性負(fù)荷的電氣距離大大下 降，使該廠生產(chǎn)的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害性下降，這種方法投資 是最大的，往往需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。2、諧波的隔離。非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅 直接影響到本級(jí)電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器后，還會(huì)影響到上幾 級(jí)電網(wǎng)。如何把這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響或少 影響其他幾級(jí)電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。這一 方法在電網(wǎng)中廣泛采用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過y/d、yn/d、 yn/y等接線組別的變壓器，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三次、六次、九 次等零序分量的諧波與上級(jí)電網(wǎng)隔離開來，因此在llokv以 上高壓電網(wǎng)上，三、六、九次諧波分量很小，幾乎是零。而 10kv由于在

13、2005年前大多數(shù)配變?yōu)閥/yn接線，35kv也有 少量y/yn接線的直配變，因此在10kv和35kv中三、九次 諧波分量會(huì)比高壓電網(wǎng)大。為了減少10kv和35kv中三、九 次諧波分量我國(guó)從2005年后10kv采用d/yn配變，35kv有 少量直配變，改用d/yn接線組別。3、安裝濾波器。目前對(duì)變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的 方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源 濾波器和無源濾波器兩大類。有源濾波器的基本工作原理是把用戶電源側(cè)的電流波 型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，這是 諧波治理的發(fā)展方向。無源濾波器是通過l、c串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波 產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振

14、時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電 壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè) 出口處，從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá) 到對(duì)該次諧波治理的目的。一般在電容器無串聯(lián)電感時(shí)，電網(wǎng)額定電壓為10kv,變 壓所母線電壓在10. 5kv以上，電容器額定電壓多選用llkv/o 因此，用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取 11. 5kv/或12kv/,用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓 就常選取llkv/o但是由于計(jì)算精度和電容器、電感器的制造精度等的原 因，若按計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)來配備，在標(biāo)準(zhǔn)化審查時(shí)就通不過， 為了保證串聯(lián)濾波器能在五、七次諧波頻率時(shí)諧振，我們要 求電感有一定的調(diào)節(jié)范

15、圍，從而確保濾波器能正常工作。具 體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感，在諧波分析儀中該次諧波值 最小時(shí)，則認(rèn)為濾波器已調(diào)試成功。三、諧波治理方法的總結(jié)和發(fā)展在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對(duì)稱的，因此基本 上不含有偶次諧波，主要存在在奇次諧波，而二、九次諧波 可以通過yo/a、y/a接線組別進(jìn)行隔離。而11、13次以 上諧波由于其頻率比較高，而且輸電線路有一定電感量，對(duì) 地又有一定電容量，相間及線間也有一定電容量。因此，高 次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時(shí)高次諧波在電網(wǎng) 中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對(duì) 象。對(duì)于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下五種基本方法：1、采用yn/d、yn/

16、y、y/d、d/yn接線組別的變壓器， 隔離三、九次諧波。2、采用l、c串聯(lián)無源濾波器，對(duì)五、七次諧波進(jìn)行治 理。3、采用l、c并聯(lián)無源濾波器，對(duì)三、六、九次諧波電 流進(jìn)行阻塞。4、加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。5、用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)特殊諧波用電設(shè)備供電，使 諧波源與電網(wǎng)完全隔離（如下圖所示）。對(duì)于非線性用電設(shè)備的諧波治理方法有以下五種方法：1、對(duì)電弧加熱用電設(shè)備，采用多相（六相、十二相等） 電弧爐變壓器，從而使低次諧波分量下降，高次諧波分量上 升。目前最常用的是y/yn. d/yn兩變壓器分別接兩臺(tái)相同 容量的電弧爐，并使兩爐同步作業(yè)，通過lc串聯(lián)無源濾波 裝置進(jìn)行局部治理

17、，達(dá)到用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不超標(biāo)。電弧加熱用電設(shè)備為了控制弧電流，會(huì)在電爐變壓器中 加入一個(gè)勵(lì)磁繞組，通入勵(lì)磁電流變成可控電壓的磁飽和變 壓器，造成電弧側(cè)的電壓波型不對(duì)稱，出現(xiàn)偶次諧波。當(dāng)通 入勵(lì)磁電流用單相整流，用可控硅控制時(shí)，偶次諧波的分量 會(huì)加劇。為了減少偶次諧波的分量又能控制弧電流，可以在 高壓側(cè)采用18級(jí)有載調(diào)壓開關(guān)，調(diào)節(jié)電孤側(cè)電壓，從而達(dá) 到不產(chǎn)生偶次諧波，又達(dá)到控制弧電流的目的。2、對(duì)于交流整流直流用電設(shè)備采用多相整流。多相整 流產(chǎn)生的諧波多為整流相數(shù)±1次，對(duì)12相整流設(shè)備，諧波 分量最大是11次和13次，而對(duì)24相整流設(shè)備，則是23次 和25次。諧波頻率越高，l、c串

18、聯(lián)濾波器的投資越小，諧 波在輸電線路中傳輸衰減越快。3、開關(guān)電源設(shè)備諧波治理。工業(yè)用的典型設(shè)備是中頻 爐，目前廣泛采用y/yn、d/yn兩臺(tái)變壓器初級(jí)并聯(lián)，帶兩 臺(tái)相同容量中頻爐同步運(yùn)行，以提高整流時(shí)產(chǎn)生諧波的次 數(shù)，在中頻變換中進(jìn)行l(wèi)、c串聯(lián)吸收，以減少中頻諧波反射 到電源側(cè)，其接線如下圖。4、變頻器的諧波治理。在發(fā)達(dá)國(guó)家中是變頻器和變頻 器諧波治理設(shè)備配套供應(yīng)的，由于變頻器的設(shè)備價(jià)格和配套 的變頻器諧波治理設(shè)備的價(jià)格相差不多，我國(guó)的好多用戶， 往往只安裝變頻器，不安裝配套的諧波治理設(shè)備。隨著變頻 技術(shù)的推廣，會(huì)使電網(wǎng)中的諧波影響加激，因此希望用電管 理部門做好用戶工作，做到變頻器與配套的諧波裝置二者同 時(shí)設(shè)計(jì)，一起投運(yùn)。5、用戶側(cè)多投一些同步電動(dòng)機(jī)，它一方面可以進(jìn)行無 功補(bǔ)償，減少電壓波動(dòng)及電壓閃變，另一方面它又能吸收一 部分諧波電流，對(duì)諧波治理也有很大好處。例如，遂昌鋼廠, 在同步電動(dòng)機(jī)全開時(shí)，llok