諧波危害和抑制

1、諧波危害和抑制    摘要：非線性負(fù)載的大量應(yīng)用給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染，并由此產(chǎn)生了一系列電能質(zhì)量問題，而各種敏感負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量又提出了更高的要求。無源電力濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低，成為電力系統(tǒng)中最普遍的諧波抑制設(shè)備。Abstract: the nonlinear load of power grid application to brought serious harmonic pollution, and produced a series of power quality problems, and all

2、 kinds of sensitive load of power grid power supply quality and to put forward higher request. Passive power filter because of its simple structure, equipment less investment, operation reliability high, low operating cost, be in the power system, the most common harmonic control equipment.中圖分類號(hào):X50

3、3X503 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：本文對(duì)無源電力濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究。詳細(xì)分析各種無源電力諧波器結(jié)構(gòu)和工作原理，并在其基礎(chǔ)上對(duì)影響濾波器性能的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)研究了等值頻偏、品質(zhì)因數(shù)、無功補(bǔ)償容量特性及系統(tǒng)諧波阻抗對(duì)單調(diào)諧濾波器和高通濾波器性能的影響。以此作為濾波裝置設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，為工程設(shè)計(jì)提供了理論準(zhǔn)則。本文通過分析濾波裝置設(shè)計(jì)方案的制定策略，推導(dǎo)最小電容器安裝容量法、無功補(bǔ)償容量分配法及過電壓限制法等工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)的流程，并在MATLAB電力系統(tǒng)仿真環(huán)境下，通過仿真驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)法。對(duì)電力系統(tǒng)無源濾波裝置，在常規(guī)調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)思路上，考慮實(shí)際

4、濾波器受電網(wǎng)中的負(fù)載和自身元件特性的影響，工作在失諧狀態(tài)下，采取最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器。在給定容量時(shí)，對(duì)全調(diào)諧、經(jīng)驗(yàn)偏調(diào)諧、最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果，得出最佳偏調(diào)諧設(shè)計(jì)所得相對(duì)容量較小濾除諧波能力更好的優(yōu)點(diǎn)。由于交流調(diào)諧濾波器的工作原理及其缺點(diǎn)，針對(duì)嚴(yán)重影響調(diào)諧濾波器濾波效果的失諧問題和單個(gè)LC支路只能抑制單次諧波的缺陷，以及交流調(diào)諧濾波器不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問題，為了對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，學(xué)習(xí)研究了多種可變電抗器。關(guān)鍵詞: 無源電力濾波器;諧波抑制;濾波效益;失諧電力系統(tǒng)中，諧波的定義是指對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解后，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量外，還有一系列大于基波

5、頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。近年來, 隨著各種整流、換流設(shè)備、電弧爐、各種電力電子設(shè)備、非線性負(fù)荷以及多種家用電器和照明設(shè)備等的大量使用，電力系統(tǒng)的諧波問題隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用變的越來越突出。相對(duì)傳統(tǒng)的電路和電力調(diào)節(jié)裝置，電力電子裝置具有高功率因數(shù)、高功率密度、高可靠性及低噪音、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，這種裝置提高了電能的利用率，但是其本身的非線形使得電網(wǎng)電壓和電流不再為正弦波，而是畸變?yōu)楹懈鞔沃C波的電壓和電流。諧波電壓和電流的出現(xiàn)，嚴(yán)重危害了功用電網(wǎng)及其他系統(tǒng)的正常工作。諧波的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)諧波對(duì)電網(wǎng)的影響諧波電流在電網(wǎng)線路中會(huì)產(chǎn)生附加有功功率損耗。諧波電流雖然通

6、常數(shù)值不大，但其頻率較高，導(dǎo)線的集膚效應(yīng)造成的諧波電阻較大，從而引起的附加損耗增加，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。諧波電流中的無功分量同時(shí)會(huì)降低電網(wǎng)的功率因數(shù)(2)引起過電壓和過電流諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，這種諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍至幾十倍，從而危及電容器和其他供用電設(shè)備的安全運(yùn)行。嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電容器和電抗器燒毀。(3)諧波對(duì)電機(jī)的危害諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)引起附加損耗和過熱。諧波電流通過定子繞組由于集膚效應(yīng)會(huì)造成諧波損耗。另外，諧波電流會(huì)產(chǎn)生與諧波頻率相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出諧波電流，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生損耗和過熱現(xiàn)象。諧波同時(shí)會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，對(duì)電機(jī)也有很大的危害。其中

7、，正負(fù)序的諧波電流在電動(dòng)機(jī)中會(huì)產(chǎn)生N倍基頻的諧波轉(zhuǎn)矩，它的平均轉(zhuǎn)矩雖然可以忽略，但其產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)和噪音諧波對(duì)變壓器的影響主要是發(fā)生諧振時(shí)，電流過大，鐵心嚴(yán)重飽和，可危及變壓器的安全。諧波電流流過變壓器，還會(huì)增加其銅耗和鐵耗。(4)諧波對(duì)電纜線路絕緣的影響對(duì)電纜線路，非正弦，電壓使絕緣老化加速，泄漏電流加大，當(dāng)出現(xiàn)并聯(lián)諧振過電壓時(shí)，可能引起放炮并擊穿電纜。(5)諧波對(duì)繼電保護(hù)和電力測(cè)量的影響許多電能儀表和繼電保護(hù)設(shè)備是針對(duì)正弦波及其過零點(diǎn)校驗(yàn)設(shè)計(jì)的，諧波容易引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作。不同類型的繼電器設(shè)計(jì)性能和工作原理不同，故諧波的影響有較大差別。諧波對(duì)大多數(shù)繼

8、電器的影響并不大，但對(duì)部分晶體管型繼電器可能有很大影響。在存在諧波的情況下，由于沒有統(tǒng)一的表征功率的定義，同一儀表對(duì)同一電氣量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，按照不同定義所的得的結(jié)果可能會(huì)相差20%30%。另外，對(duì)于采用平均值測(cè)量法的儀表，由于需要按正弦波轉(zhuǎn)換成有效值，當(dāng)存在諧波時(shí)，結(jié)果有誤差。(6)諧波對(duì)通信系統(tǒng)的干擾諧波干擾會(huì)引起通信系統(tǒng)的噪音，降低通信的清晰度，干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起通信信號(hào)的丟失。在諧波和基波共同作用下引起的電話鈴響，甚至?xí)＜霸O(shè)備和人身安全。(7)諧波對(duì)整流裝置的影響高次諧波對(duì)脈沖相位控制的可控硅(晶閘管)整流裝置有較大影響，可能造成脈沖丟失而燒壞可控硅管。要解決配電系統(tǒng)的諧波和無功補(bǔ)償問題必

9、須綜合考慮濾波和補(bǔ)償這兩方面的因素，能滿足要求的實(shí)現(xiàn)方法有很多，經(jīng)過學(xué)習(xí)比較，這里主要研究?jī)煞N常見的濾波裝置。一種是無源濾波器;一種是有源濾波器。1、無源濾波器無源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯(lián)濾波器濾除諧波的典型電路結(jié)構(gòu)，通常是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)LC電路與諧波源并聯(lián)，應(yīng)用其諧振原理，使某一次諧波在這個(gè)支路發(fā)生諧振，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，使該次諧波電流不再流入電網(wǎng)，達(dá)到抑制諧波的目的。如果要濾除若干次諧波，就用若干個(gè)單調(diào)諧LC濾波器并聯(lián)接到電網(wǎng)。無源電力濾波器還可以設(shè)計(jì)成雙諧振的，同時(shí)濾除兩種頻率的諧波，還可以設(shè)計(jì)成高通濾

10、波器，以濾除某一次上的諧波。無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無功，改善功率因素;維護(hù)方便;造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低;對(duì)某一次高次諧波的吸收效果明顯;設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)成熟。因此成為傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要手段。無源濾波器雖然存在上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有不足之處。無源濾波器的濾波原理是在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，因此由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著一些難以克服的缺點(diǎn)：(1)只能抑制按設(shè)計(jì)要求規(guī)定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對(duì)調(diào)諧點(diǎn)的濾波效果明顯，而對(duì)偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無明顯效果。而實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮到設(shè)計(jì)投資，不可能依靠增加濾波

11、器的辦法解決。(2)濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，濾波效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果變差。特別是對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個(gè)復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個(gè)實(shí)際的濾波器要達(dá)到理想的濾波效果是很難的。(3)當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，可能與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，從而會(huì)產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，使裝置無法運(yùn)行，甚至使整個(gè)濾波系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。(4)當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流增大時(shí)，無源濾波器可能過載，甚至損壞設(shè)備。(5)裝置體積大，損耗大。(6)濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。基于上述無源濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題，國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)研究人員研究

12、出若干解決辦法，通過采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果。但無源濾波器由于原理上帶來的缺點(diǎn)是無法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。2、有源電力濾波器有源電力濾波器是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服LC無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)無源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，概括起來主要有：(1)實(shí)現(xiàn)

13、了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。(2)可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要儲(chǔ)能元件容量也不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。(3)即使補(bǔ)償電流過大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償用。(4)受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。(5)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。(6)既可對(duì)一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償?；谟性礊V波器的上述優(yōu)點(diǎn)，采用有源電力濾波器是對(duì)諧波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，因而受到廣泛的重視，對(duì)于保證

14、電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前國(guó)內(nèi)的有源濾波器還處于研發(fā)階段技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用的有源濾波器大都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，如ABB公司，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)的工廠和企業(yè)在用。因此在這里選用無源濾波裝置。從工作原理來看，濾波裝置可分為兩類。一類為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發(fā)生的諧波與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，從而達(dá)到消除諧波的目的。這類濾波器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進(jìn)一步研究。另外一類是無源濾波器，它是采用電容、電感諧振的原理來達(dá)到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實(shí)現(xiàn)濾波兼并補(bǔ)雙重作用。無源電力濾波器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，成為