電力系統(tǒng)中諧波分析和治理技術(shù)4500字

1、電力系統(tǒng)中諧波分析和治理技術(shù)4500字 摘 要 ：諧波是電力系統(tǒng)的一大公害，文章介紹了諧波的相關(guān)定義、諧波的產(chǎn)生以及諧波所帶來(lái)的危害，并對(duì)抑制諧波的措施進(jìn)展了相關(guān)的闡述。 畢業(yè)關(guān)鍵詞 ：電能質(zhì)量 ；諧波 ；抑制0 前言隨著電力電子設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種非線性、沖擊性、波動(dòng)性和不對(duì)稱(chēng)負(fù)載大量增加，造成諸如電壓波動(dòng)、電壓跌落、諧波等電能質(zhì)量污染日趨嚴(yán)重。電能質(zhì)量的下降造成了宏大的經(jīng)濟(jì)損失，也使得用戶(hù)側(cè)的敏感性用電設(shè)備不能正常工作?，F(xiàn)今，用戶(hù)對(duì)供電可靠性提出更高的要求，對(duì)供電質(zhì)量的敏感程度越來(lái)越高，因此對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)和電力供給商也不斷提出新的要求。本文著重介紹了電能質(zhì)量范疇內(nèi)的諧涉及其治理技術(shù)。1

2、電能質(zhì)量的根本分類(lèi) 電能質(zhì)量分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量以諧波畸變?yōu)橹饕卣?，一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要類(lèi)型是過(guò)電壓和欠電壓，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(一般超過(guò)1min)，電壓大小超過(guò)或低于標(biāo)稱(chēng)電壓大小。一般用傅里葉級(jí)數(shù)分析諧波與間歇波。動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量是以暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為主要特征，主要有脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩種類(lèi)型。主要類(lèi)型是：電壓跌落和電壓上升，持續(xù)時(shí)間較短(一般10ms1min)，電壓有效值跌落至標(biāo)稱(chēng)電壓的10%90%或升至標(biāo)稱(chēng)電壓的110%180%。電壓波動(dòng)與閃變：電壓幅值在一定范圍內(nèi)(通常為額定值的90%110%或110%180%)規(guī)律或隨機(jī)地變化，即為電壓波動(dòng)；短時(shí)斷電，持續(xù)時(shí)間在10m

3、s3s的供電，即為閃變。2 諧涉及諧波源2.1 諧波供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)展傅里葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率一樣的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這局部電量成為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱(chēng)為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中也存在非整數(shù)倍諧波，稱(chēng)為非諧波或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測(cè)量、危害以及抑制，其諧波次數(shù)范圍一般為：2n40。2.2 諧波源諧波通常是由非線性供電、用電設(shè)備所產(chǎn)生的，電力系統(tǒng)本身包含的非線性元件主要是變壓器、換流站可控硅元件、電容器、電抗器等；但主要來(lái)源是各種非線性負(fù)荷用戶(hù)

4、，如各種整流設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備、電弧爐、軋鋼機(jī)以及電氣拖動(dòng)設(shè)備。最常見(jiàn)的諧波源如下所述。2.2.1 變壓器產(chǎn)生的諧波變壓器的非線性是因?yàn)殍F芯材料具有非線性磁化曲線引起的。變壓器的鐵芯磁化曲線除了一般線性區(qū)以外，還有飽和區(qū)、死區(qū)和滯后區(qū)三類(lèi)典型的非線性區(qū)，它以原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，在正弦波的作用下，勵(lì)磁電流為對(duì)稱(chēng)奇函數(shù)。對(duì)三相對(duì)稱(chēng)的變壓器，其3次的奇數(shù)倍諧波均為零序，會(huì)受到變壓器接線方式的影響，故可以認(rèn)為變壓器是一種只產(chǎn)生奇次諧波的電流源型的諧波源。變壓器的諧波次數(shù)還受其一、二次側(cè)接線方式(或Y)的影響，大小那么與磁路的構(gòu)造形式、鐵芯的飽和程度有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性工作區(qū)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波

5、電流就越大。2.2.2 變流器設(shè)備產(chǎn)生的諧波由于消費(fèi)與科技的開(kāi)展，企業(yè)經(jīng)常大量使用整流和變頻等交流設(shè)備，目前的電氣設(shè)備都采用開(kāi)關(guān)型電源，其電源側(cè)是大功率整流電路，輸出側(cè)為了使負(fù)載得到更好的控制與運(yùn)行特性，那么使用了變壓與變頻電路。此類(lèi)設(shè)備產(chǎn)生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。因此，其諧波分量也僅有奇次諧波，有資料顯示，此類(lèi)設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量有時(shí)可高達(dá)基波分量的30%。由于變流設(shè)備功率大(3020000kW)、數(shù)量多，因此其對(duì)企業(yè)供配電系統(tǒng)的影響也就極大。2.2.3 計(jì)算機(jī)及其他辦公設(shè)備產(chǎn)生的諧波隨著社會(huì)的開(kāi)展、科技的進(jìn)步，工廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)及其他現(xiàn)代化辦公設(shè)備得以廣泛應(yīng)用，而這

6、些設(shè)備的電源根本上都是開(kāi)關(guān)電源，因此都會(huì)產(chǎn)生諧波并且對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾非常嚴(yán)重。3 諧波的危害目前，產(chǎn)生諧波的裝置量大面廣，諧波使許多企業(yè)的消費(fèi)面臨嚴(yán)重的干擾與破壞，諧波對(duì)企業(yè)供配電的危害主要表如今以下幾個(gè)方面：(1)電力變壓器、電力線路電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，絕緣才能受到影響并造成容量裕度減小。諧波還可能引起變壓器繞組及線間電容之間共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。因此諧波的泛濫將會(huì)嚴(yán)重地威脅工礦企業(yè)的供配電系統(tǒng)平安、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。(2)電動(dòng)機(jī)輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要是引起附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用，由于輸

7、出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣，諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲增加。(3)電力電容器一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其最大電流只允許35%的過(guò)載，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于諧波的影響，常發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載。由于電容器的阻抗隨頻率的增加而減少，當(dāng)諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)，流入大量電流，從而導(dǎo)致電容器過(guò)熱，增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗到達(dá)共振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生振動(dòng)短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。(4)開(kāi)關(guān)設(shè)備由于諧波電流的存在，開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率(di/dt)，致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值，以致破壞絕緣。(5)保護(hù)電器電流中含有諧波，必然會(huì)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)

8、矩，改變電氣的動(dòng)作特性，從而引起誤動(dòng)作。(6)計(jì)量?jī)x表對(duì)于電能表等計(jì)量?jī)x表，因諧波原因會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起測(cè)量誤差，使表計(jì)的準(zhǔn)確度降低。(7)電力電子設(shè)備在很多場(chǎng)合，電子設(shè)備等同于產(chǎn)生諧波的電流源，并且很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作。其他諸如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視以及音響、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受到諧波的干擾，使其正常工作受到影響，因此減少其使用壽命。4 抑制諧波干擾的措施 為了控制諧波的泛濫，凈化供配電系統(tǒng)波形，進(jìn)步供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量及效率，國(guó)家發(fā)布了GB/T 14549-93?電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波?國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其主要目的是把公用電網(wǎng)的諧波量控制在允許范圍內(nèi)，以保證電能

9、質(zhì)量，防止諧波對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)的電氣設(shè)備、各種用電器具造成危害，保持其平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并獲得良好的社會(huì)效益。消除電網(wǎng)中的諧波，對(duì)延長(zhǎng)電力設(shè)備的使用壽命和保證負(fù)載的平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有著非常重要的意義。消除諧波的幾種主要方式如下所述。4.1 變流裝置整流相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)的增加當(dāng)變流裝置的脈動(dòng)數(shù)增多時(shí)，變流裝置產(chǎn)生的諧波次數(shù)增高，而諧波電流近似地與諧波次數(shù)成反比，因此一些次數(shù)較低、成分較大的低次諧波可以得以消除，從而減少諧波源產(chǎn)生的諧波電流。通過(guò)改造變流裝置的構(gòu)造或者利用互相間有一定移相角的換流變，可有效減小諧波量。這種裝置的缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)增加。4.2 加裝交流濾波器一般采用的調(diào)諧濾波器通常由電力電容器、

10、電抗器和電子器件適當(dāng)組合而成，起到既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率的作用，進(jìn)步電壓程度，且構(gòu)造簡(jiǎn)單、補(bǔ)償容量大，被廣泛應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)是裝置受到電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行特點(diǎn)的影響，易與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使濾波器過(guò)載乃至燒毀。因此，實(shí)際工程中多采用一組或多組單調(diào)諧濾波器組合方式，每組濾波器諧振于需要濾除的諧波頻率或該頻率附近，當(dāng)需消除更高頻率的諧波或其幅值較小時(shí)，可以再加裝一組高通濾波器。4.3 加裝有源濾波器有源電力濾波器(Active Power Filter)采用實(shí)時(shí)檢測(cè)的閉環(huán)運(yùn)行方式，動(dòng)態(tài)地抑制諧波并能補(bǔ)償大小和頻率都變化的諧波。有源電力濾波器通過(guò)監(jiān)測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)

11、算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流因與要補(bǔ)償?shù)闹C波電流大小相等、方向相反而抵消，使電網(wǎng)的電壓、電流恢復(fù)為正弦波。其對(duì)頻率和幅值變化的諧波進(jìn)展補(bǔ)償，不易受到電網(wǎng)阻抗的影響，還可以發(fā)出基波補(bǔ)償功率，減少負(fù)載的無(wú)功功率，進(jìn)步功率因數(shù)。有源電力濾波器根據(jù)電路的組成形式和接入電網(wǎng)的方式不同，分為電壓源型和電流源型，串聯(lián)型和并聯(lián)型，可根據(jù)供配電系統(tǒng)的實(shí)際情況選用適用的型 式。由于有源電力濾波器造價(jià)較高，一般用于低壓小容量的諧波源補(bǔ)償。 4.4 對(duì)化工企業(yè)中應(yīng)用的變頻器產(chǎn)生的諧波應(yīng)對(duì)措施4.4.1 增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗通常電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電

12、容的無(wú)功功率的作用，內(nèi)阻抗越大，諧波含量越小，這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。4.4.2 串入輸入電抗器在變頻器的輸入電流中，頻率較低的諧波分量(5，7，11，13次諧波等)所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入交流/直流電抗器后，進(jìn)線電流的THDi(電流總畸變率)大約降低30%50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。4.4.3 安裝輸出電抗器在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過(guò)程中線路所產(chǎn)生的電磁輻射。電抗

13、器應(yīng)安裝在間隔 變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線間隔 。4.4.4 在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器，為了減少對(duì)電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。4.4.5 采用多相脈沖整流和變壓器多相運(yùn)行在條件允許或是要求諧波限制比擬小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDi大約為10%15%，18相脈沖整流的THDi約為3%8%。通用變頻器為六脈波整流器，因此產(chǎn)生的諧波較大。假如采用變壓器多相運(yùn)行，使相位角互差30，如Y-、-組合的變壓器構(gòu)成12脈波的效果，可減小低次諧波電流，很好地抑制諧波。5 結(jié)語(yǔ) 電網(wǎng)中存在的諧波惡化了電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，危害了電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，還增加了額外的電能損失，降低了電氣設(shè)備的使用壽命。在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)采用技術(shù)措施和管理措施并重的方式，加強(qiáng)電網(wǎng)電能質(zhì)量管理，采取優(yōu)化的技術(shù)措施對(duì)