摘要:隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及它們在各個工業(yè)部門和用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用,諧波對電力系統(tǒng)各種用電設(shè)備以及用戶和通訊線路的影響已經(jīng)十分嚴(yán)重,造成電力系統(tǒng)的諧波含量急劇上升以及電壓波形畸變,使電網(wǎng)的供電質(zhì)量降低,給供用電雙方帶來嚴(yán)重危害。因此電網(wǎng)中諧波污染的原因及對系統(tǒng)設(shè)備造成的危害就顯得非常重要。

　　關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);諧波產(chǎn)生;危害;APF;控制措施

　　0引言

　　隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是電氣化鐵路機車、電爐煉鋼、多相可控硅整流、電機變頻調(diào)速、電視機、空調(diào)設(shè)備等家電的廣泛應(yīng)用,系統(tǒng)諧波成份也越來越復(fù)雜,諧波對電能計量的影響也越來越引起人們的關(guān)注。諧波對電力系統(tǒng)的危害不僅表現(xiàn)在工程上,而且表現(xiàn)在經(jīng)濟上,諧波造成電能表計量誤差會影響電力公司成本和收入。

　　1電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因

　　電力網(wǎng)中的諧波有多種來源,在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。接入低壓電力系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。

　　穩(wěn)定的諧波電流是指諧波的幅度不隨時間變化,如視頻顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波,這類設(shè)備對電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。由激光打印機、復(fù)印機等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時間變化,稱之為波動的諧波,這類設(shè)備對電網(wǎng)來說是一個隨時間變化的負(fù)載。變化的諧波產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備:

　　1.1具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備,如:變壓器、電抗器等;

　　1.2以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備,如:交流弧焊機等;

　　1.3以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備,如:各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等,并且這些設(shè)備大量的使用于鉆井平臺。

　　以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著的特點是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流,即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓、電流特性,使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成,即產(chǎn)生的諧波,使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真,此外電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

　　隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加,同時這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅,所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

　　2諧波產(chǎn)生的危害

　　2.1諧波危害原理

　　大量諧波電流流入電網(wǎng)后,由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降,疊加在電網(wǎng)基波上,引起電網(wǎng)的電壓畸變,致使電能質(zhì)量變差。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時,會對電網(wǎng)自身及用電設(shè)備的正常運行造成損害:

　　在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出,這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作,甚至造成故障,而且還會使供電系統(tǒng)中性線負(fù)荷承受的電流超載,影響供電系統(tǒng)的電力輸送。

　　因此,諧波問題得到各有關(guān)方面的高度重視。電網(wǎng)和SCR系統(tǒng)改造完畢后,在幾個月試運行過程中主要發(fā)現(xiàn)以下危害,先簡單介紹并分析如下:

　　2.1.1 連續(xù)燒壞4臺主機冷卻水泵電機,8臺壁掛式空調(diào)諧波對電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在平臺的供電系統(tǒng)中,電動機的負(fù)荷約占整個負(fù)荷的90%左右。

　　因此,諧波是使電動機總的附加損耗增加的影響最大因素。實驗表明,在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時,電動機的絕緣壽命要減少一半。因此,國際上一般規(guī)定在持續(xù)工作的條件下,電動機承受的負(fù)序電壓不宜超過額定電壓的2%。

　　而平臺電站在大負(fù)荷運行時(即SCR系統(tǒng)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時)負(fù)序電壓最大超過7%(接近40V,平臺電站電壓為600V),這是造成平臺燒毀設(shè)備的直接原因。

　　諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電動機的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大,但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩,可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。

　　這種振蕩力矩使電動機的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振,并使電動機葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)是空調(diào)室外機風(fēng)扇葉片屢屢斷裂的主要原因。

　　2.1.2 兩臺主變壓器經(jīng)常拉弧、打火,造成極大隱患主要原因是諧波電流使變壓器的銅耗增加,特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器,會在其繞組中形成環(huán)流,使繞組過熱;對星形連接的變壓器,當(dāng)繞組中性點接地,而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時,可能形成3次諧波諧振,使變壓器附加損耗增加。

　　2.1.3 照明用電力電容器頻繁損壞因為隨著諧波電壓的增高,會加速電容器的老化,使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加,從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。

　　另一方面,電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時,就會產(chǎn)生諧波電流放大,使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

　　2.1.4其他影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性的危害諧波對電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴(yán)重,而平臺的配電系統(tǒng)又是一個以繼電保護和自動控制為主的電力系統(tǒng)。

　　由于這些按負(fù)序(基波)量整定的保護裝置,整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾(如電焊等諧波源還是負(fù)序源)則會引起發(fā)電機負(fù)序電流保護誤動(若誤動引起跳閘,則后果嚴(yán)重)、變電站主變壓器的復(fù)合電壓啟動過電流保護裝置負(fù)序電壓元件誤動,母線差動保護的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動,并且對于晶閘管的調(diào)速裝置,諧波可能使晶閘管誤動作,或使控制回路誤觸發(fā),以及線路各種型號的繼電保護、高頻保護等發(fā)生誤動,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

　　3諧波的控制措施

　　3.1傳統(tǒng)的抑制方法

　　3.1.1 增加換流裝置的相數(shù)

　　平臺的主要動力源是直流驅(qū)動,而交流變直流是平臺的主要諧波源之一。理論分析表明,換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動數(shù),k為正整數(shù))。

　　當(dāng)脈動數(shù)由p=6增加到p=12時,可以有效的消除幅值較大的低頻項,(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k),從而大大地降低了諧波電流的有效值。

　　這種方法在平臺是比較可行的,但是效果相對較差。

　　3.1.2 增裝動態(tài)無功補償裝置,提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力在技術(shù)經(jīng)濟分析可行的條件下,可以在諧波源處裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置:靜止無功補償裝置(SVC-StaticVarCom-pensator)或更先進的靜止同步補償裝置(STATCOMStaticSyn-chroncusCompensator),以獲得補償負(fù)荷快速變動的無功需求、改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等,提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。這種方法在各種行業(yè)中已驗證是行之有效的,但是造價較高。

　　3.1.3對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電

　　因為測量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的因此在規(guī)劃供電線路時，對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電。

　　3.1.4將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開

　　因為動力裝置的負(fù)荷變動大測量、控制、微機及電視機的負(fù)荷小，動力裝置產(chǎn)生的干擾大供電電源分開后測量、控制、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。

　　3.1.5 加裝交流濾波裝置

　　采用交流濾波裝置在諧波源附近吸收諧波電流,降低連結(jié)點的諧波電壓,是降低諧波污染的一種有效措施。濾波裝置由R、L、C等元件組成串聯(lián)諧振電路,利用其串聯(lián)諧振時阻抗最小的特性,這樣就消除5、7、11等高次諧波。

　　3.2 新型的諧波控制措施

　　現(xiàn)在,有源電力濾波器(APF),是一種新型諧波抑制和無功補償裝置,它不同于傳統(tǒng)的LC無源濾波器(只吸收固定頻率的諧波),它能對電流和頻率都在變化的無功進行補償,可以實現(xiàn)動態(tài)補償。

　　圖1為最基本的有源電力濾波器,圖中,es表示交流電源,負(fù)載為諧波源,它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成,即諧波和無功電流檢測電路以及補償電流發(fā)生電路。

　　其基本工作原理是,檢測補償對象的電流和電壓,經(jīng)諧波和無功電流檢測電路計算得出補償電流的指令信號,該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大,得出補償電流,補償電流與負(fù)載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消,最終得到期望的電源電流,達到了抑制諧波的目的。

　　

 

　　有源濾波器按其接入電網(wǎng)的方式,可分為串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器兩大類。目前實際應(yīng)用的AFP裝置中,90%以上是采用電壓逆變器的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。近年來,為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢,提高性能,減少容量,降低成本,增強適用性,又設(shè)計出了串、并聯(lián)混合型的有源濾波器。

　　即有源濾波器APF和無源濾波器PPF構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)HPFS,用PPF濾除諧波電流,再用APF來改善濾波效果,并抑制串聯(lián)諧振的發(fā)生。為了適應(yīng)有源濾波器多功能復(fù)雜控制的需要,一些變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代的新型控制方法的應(yīng)用,使其獲得了更好的控制性能和效果。

　　目前常用的PWM生成方式有:三角波比較法、滯環(huán)控制法、預(yù)測控制法、特定消諧法和空間矢量法。因此,通過PWM調(diào)制和開關(guān)頻率的多重化技術(shù)的提高,能夠?qū)崿F(xiàn)對高次諧波的有效補償。當(dāng)有源濾波器的容量不大時,通常采用IGBT和PWM技術(shù)進行諧波補償;當(dāng)容量很大時,采用GTO以及多重化技術(shù)進行諧波補償,效果比較顯著。

　　4.結(jié)束語

　　綜合以上分析,筆者認(rèn)為應(yīng)用有源濾波器結(jié)合動態(tài)無功補償?shù)姆绞阶钅軌蜻_到消除諧波優(yōu)化電能質(zhì)量的功能,從而達到最優(yōu)的動力效果。

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