電力諧波分析設備中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計分析

1、電力諧波分析設備中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計分析    摘要：近年來，隨著各種電力電子設備的迅速普及以及大量非線性負載的廣泛使用，使得電力系統(tǒng)諧波對公用電網(wǎng)造成的污染日趨嚴重。電力諧波不僅引起了電能質(zhì)量的下降，而且嚴重影響了電網(wǎng)的安全運行，因此對電網(wǎng)諧波的檢測與分析具有重要的現(xiàn)實意義。關鍵詞：電力諧波;電力電子設備;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、 電網(wǎng)諧波來源1、電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。2、輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于

2、變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。二、諧波研究的意義諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電

3、力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產(chǎn)生嚴重干擾。三、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備，也就是說來自發(fā)電設備和用電設備。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發(fā)電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機，凸極機多用于水輪發(fā)電機。對于諧波分量而言，隱極機優(yōu)于凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機的磁飽和，會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，也會使二次

4、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、變電設備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發(fā)電、變電設備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。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備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：1、電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。2、交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。3、交流整流再逆變用電設備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。4、開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：電弧加

5、熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，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。此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。交流整流直流用電設備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件(濾

6、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備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低。四、諧波現(xiàn)狀淺析通過對市場的常用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補償就無法進行，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大

7、了1.83.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。五、目前國內(nèi)對諧波污染的治理(一)諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。1、無源濾波裝置。主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設定的LC回路，達到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧

8、波電流，用以抵銷網(wǎng)絡中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。(二)諧波治理的方法前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波和有源濾波。下面就談談這二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟效益的分析。1、無源諧波濾除裝置。無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振?，F(xiàn)在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，

9、用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業(yè)主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經(jīng)濟效益也就可觀了。2、有源諧波濾除裝置。有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范

10、圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。參考文獻1 吳竟昌.供電系統(tǒng)諧波M.北京：中國電力出版社，2008：35-472 馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術M.西安：西安交通大學出版社，20093 諧波國家標準起草工作組電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549.20094 李念強魏長智潘建軍張羽，數(shù)據(jù)