電力諧波治理的幾種方法

1、電力諧波治理的幾種方法目前常用的電力諧波治理的方法無(wú)外乎有三種， 無(wú)源濾波、有源濾波、無(wú)功補(bǔ)償。 下面就談?wù)勥@二種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及市場(chǎng)前景及其經(jīng)濟(jì)效益的分析。6.1、無(wú)源諧波濾除裝置 無(wú)源濾波器的主要是用電抗器與電容器構(gòu)成，無(wú)源濾波裝置的成 本較低，經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)便，因此獲得廣泛應(yīng)用。無(wú)源濾波器可以分為并聯(lián)濾波器與串 聯(lián)濾波器。6.1.1、無(wú)源并聯(lián)濾波器 現(xiàn)有的諧波濾除裝置大都使用無(wú)源并聯(lián)濾 波器，對(duì)每一種頻率的諧波需要使用一組濾波器， 通常需要使用多組濾波器用以 濾除不同頻率的諧波。多組濾波器的使用造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 成本增高，并且由于通 常的系統(tǒng)中含有無(wú)限多種頻率的諧波成分，因此無(wú)法將諧波全部濾除。

2、不僅如此， 由于并聯(lián)濾波器對(duì)諧波的阻抗很低， 通常會(huì)使諧波源產(chǎn)生更大的諧波電流， 諧振 在不同頻率的濾波器還會(huì)互相干擾，例如 7次諧波濾波器就可能會(huì)放大5次諧 波。因此，如果有人將并聯(lián)濾波器安裝前后的諧波情況做過(guò)對(duì)比，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：雖 然濾波器安裝以后影響系統(tǒng)的諧波電流減小， 但是各濾波器中以及進(jìn)入系統(tǒng)的諧 波電流之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)未安裝濾波器之前， 諧波源產(chǎn)生的諧波電流也超過(guò)未安裝濾 波器之前。 從廣義的角度來(lái)講，頻率不等于工頻頻率的成分統(tǒng)統(tǒng)都是諧波。因 此，工頻是單一頻率，而諧波有無(wú)限多種頻率，可見(jiàn)諧波具有無(wú)限的復(fù)雜性，使 用并聯(lián)濾波器的方法顯然無(wú)法對(duì)付無(wú)限頻率成分的諧波。6.1.2、無(wú)源串聯(lián)濾波器

3、由電感與電容串聯(lián)構(gòu)成的LC串聯(lián)濾波器，具有一個(gè)阻抗很低的串聯(lián)諧振點(diǎn)， 如果我們構(gòu)造一個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)為工頻頻率的串聯(lián)濾波器，并將其串聯(lián)在線路中， 就可以濾掉所有的諧波。這就是本文介紹的串聯(lián)濾波器，串聯(lián)濾波器由電感和電 容串聯(lián)而成，并且串聯(lián)連接在電源與負(fù)荷之間，因此串聯(lián)濾波器的串聯(lián)”二字具有雙重意思：一個(gè)意思表示電感與電容串聯(lián)，另一個(gè)意思表示串聯(lián)在電路中使用。在三相電路中均接入串聯(lián)濾波器，由于串聯(lián)帶通濾波器對(duì)基波電流的阻抗很小， 而對(duì)諧波電流的阻抗很大，于是只用一組濾波器就可以濾除所有頻率的諧波。 串聯(lián)濾波器對(duì)于諧振點(diǎn)頻率的電流具有極低的阻抗，對(duì)于偏離諧振點(diǎn)頻率的電 流，貝U阻抗增大，偏離的越多，阻

4、抗越大。對(duì)于比諧振點(diǎn)頻率高的電流成分，電 感的阻抗為主，對(duì)于比諧振點(diǎn)頻率低的電流成分， 電容的阻抗為主。由于諧波成 分通常比基波頻率高，因此濾除諧波的工作主要由電感完成， 電容的作用是抵消 電感對(duì)工頻基波的阻抗。由于濾除諧波的作用主要由電感完成，因此電感量越大濾除諧波的效果越好。但是電感量越大則價(jià)格越高，損耗越大，因此從成本及 損耗上去考慮問(wèn)題則希望電感量越小越好。 當(dāng)電感的基波感抗小于負(fù)荷等效基波 阻抗的50%時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果（負(fù)荷等效基波阻抗就是負(fù)荷相電壓 有效值與相電流有效值的比值）。因此電感的基波感抗必須大于負(fù)荷等效基波阻 抗的50%。對(duì)于電容器的選擇與電感的選擇情況不同，電

5、感的匝數(shù)可以隨意設(shè) 計(jì)，而電容器的耐壓只有固定的若干等級(jí)， 不能隨意設(shè)計(jì)。比如在低壓配電系統(tǒng) 中，就只有耐壓230V與400V的電力電容器可供選擇。由于電容器串聯(lián)在電路 中，電容器中的電流即為負(fù)荷電流，當(dāng)電容器的實(shí)際工作電壓等于其額定電壓時(shí)， 電容器中流過(guò)的電流等于電容器的額定電流，電容器得到充分的利用，因此，當(dāng)電容器的實(shí)際工作電壓等于其額定電壓時(shí)，電容器的成本最低。實(shí)際的串聯(lián)濾波器成本主要由電感與電容器的成本構(gòu)成。 串聯(lián)諧振的電感與電容對(duì)基波的阻抗 相等并且電流相同，因此電感與電容的基波工作電壓相同。 前面已經(jīng)說(shuō)明，當(dāng)電 容器的實(shí)際工作電壓等于其額定電壓時(shí)， 電容器的成本最低，因此電感的實(shí)際

6、工 作電壓應(yīng)該等于電容器的額定電壓。電容器的額定電壓等級(jí)大都與電網(wǎng)電壓相 當(dāng)，如果電感的實(shí)際工作電壓等于電容器的額定電壓，相當(dāng)于電感阻抗與負(fù)荷阻抗相當(dāng)，可以取得最好的性能價(jià)格比。在這個(gè)基礎(chǔ)上，如果提高電感的感抗，雖 然濾波效果可以提高但提高不多， 電感的成本增加，電容器需要串聯(lián)，成本急劇 增加，性能價(jià)格比下降，因此電感的基波感抗大于負(fù)荷等效基波阻抗的200%沒(méi)有實(shí)際意義，如果降低電感的感抗，貝U濾波效果下降，電感的成本降低，電容器 的容量增加因此成本增加，性能價(jià)格比也下降。為了獲得足夠的可靠性，電感與 電容器的實(shí)際工作電壓應(yīng)略低于電容器的額定電壓。當(dāng)諧波電流由外網(wǎng)竄入而影響內(nèi)網(wǎng)負(fù)荷設(shè)備的正常運(yùn)

7、行時(shí)，在電源與負(fù)荷設(shè)備之間接入串聯(lián)濾波器就可以 阻擋諧波保證負(fù)荷設(shè)備的正常運(yùn)行。當(dāng)諧波由內(nèi)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生而影響系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)生諧波的設(shè)備即為諧波源，在諧波源與電源之間接入串聯(lián)濾波器就可以使諧波源 產(chǎn)生的諧波電流大幅度減小。這里需要注意：串聯(lián)濾波器使諧波源自身產(chǎn)生的諧 波電流減小，相當(dāng)于使污染源產(chǎn)生的污染減小， 是治本的手段。而并聯(lián)濾波器并 不能減小諧波源產(chǎn)生的諧波，而是為諧波電流提供一個(gè)低阻抗的通道， 避免諧波 電流污染系統(tǒng)，相當(dāng)于先污染再治理的方式，是治標(biāo)的手段。不僅如此，由于并 聯(lián)濾波器對(duì)諧波的阻抗很低，通常會(huì)使諧波源產(chǎn)生更大的諧波電流。當(dāng)串聯(lián)濾波器連接在電源與諧波源之間時(shí)，諧波源的輸入電壓波形會(huì)

8、發(fā)生嚴(yán)重畸變， 正時(shí) 這種電壓波形的畸變使得諧波源的電流接近正弦波。 這種輸入電壓波形畸變可能 會(huì)影響諧波源控制電路的正常運(yùn)行， 如果出現(xiàn)控制電路不能正常運(yùn)行的情況， 應(yīng) 該將控制電路的電源改接至串聯(lián)濾波器的前端。6.2、有源諧波濾除裝置 有源諧波濾除裝置是在無(wú)源濾波裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。6.2.1、有源濾波裝置的優(yōu)點(diǎn) 有源濾波裝置能做到適時(shí)補(bǔ)償，且不增加電網(wǎng)的容性元件，濾波效果好， 在其額定的無(wú)功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。6.2.2、有源濾波裝置的缺點(diǎn)有源濾波裝置由于受到電力電子元件耐壓， 額定電流的發(fā)展限制，瞬間電流 有時(shí)極大，有源濾波裝置解決不了瞬間電流稍大電器電子元件就壞問(wèn)題

9、，且成本極高，其制作也較之無(wú)源濾波裝置復(fù)雜得多， 成本也就高得多了。對(duì)單臺(tái)的有源 濾波裝置而言，成本極高，用戶接受不了，一般不愿意用有源濾波，對(duì)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。6.2.3、有源濾波裝置的原理 有源濾波裝置主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個(gè)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。6.2.4、有源濾波裝置的適用場(chǎng)合有源濾波器主要的應(yīng)用范圍是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制供電系統(tǒng)。6.3、無(wú)功補(bǔ)償人們對(duì)有功功率的理解非常容易，而要深刻認(rèn)識(shí)無(wú)功功率卻并不是輕而 易舉的。在正弦

10、電路中，無(wú)功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時(shí)，至今尚無(wú)獲得公認(rèn)的無(wú)功功率定義。但是，對(duì)無(wú)功功率這一概念的重要性， 對(duì)無(wú)功補(bǔ)償重 要性的認(rèn)識(shí)，卻是一致的。無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)包含對(duì)基波無(wú)功功率補(bǔ)償和對(duì)諧波無(wú)功功 率的補(bǔ)償。6.3.1、諧波和無(wú)功功率的產(chǎn)生 在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù) 載占有很大的比例。異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步 電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無(wú)功功率在電力系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率中占有很高的 比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無(wú)功功率。阻感負(fù)載必須吸收無(wú)功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無(wú)功功率，特別是各種相控裝置

11、。如相控整流器、相控交流功率 調(diào)整電路和周波變流器，在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓， 要消耗大量的無(wú)功 功率。另外，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無(wú)功功率的。 二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無(wú)功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無(wú)功功率。近30年來(lái)，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。 在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎 都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人

12、們 所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近 1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因 數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置 也會(huì)在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。6.3.2、無(wú)功補(bǔ)償概述無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說(shuō)，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差， 這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)；而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一幅值 差，這只能在很窄的范圍內(nèi)

13、實(shí)現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無(wú)功功率，大多數(shù)負(fù)載也需要消耗無(wú)功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某 個(gè)地方獲得。顯然，這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不 合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú) 功功率，這就是無(wú)功補(bǔ)償。6.3.3、無(wú)功功率的影響6.3.3.1、無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加， 從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和 導(dǎo)線容量增加。同時(shí)，電力用戶的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要 加大。6.3.3.2、無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增 加，這是顯而易見(jiàn)的。6.3.3.3、使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載，