电力谐波抑制及治理

电力谐波抑制及治理（精选九篇）

电力谐波抑制及治理 篇1

电力系统的谐波由谐波源传入电网中。现代化电力系统中, 非线性设备作为谐波源, 包括传统非线性设备和现代电力电子设备两大类。传统非线性设备:包括变压器, 旋转电机以及荧光灯等;现代电力电子非线性设备:有在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。

2 电力谐波的危害性分析

2.1 对电力系统的危害

2.1.1 影响电力线路的稳定运行

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护, 使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器在谐波含量10%以上时对动作值会产生影响, 高达40%时会导致继电保护误动作, 因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点, 但由于采用了整流取样电路, 容易受谐波影响, 产生误动或拒动。这样, 谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

2.1.2 影响电网的电能质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线, 由于荧光灯、调光灯、计算机等负载, 会产生大量的奇次谐波, 其中3次谐波的含量较多, 可达40%;三相配电线路中, 相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加, 使中性线的电流值可能超过相线上的电流。

2.2 对电力设备的危害

对电力电容器的危害:当电网存在谐波, 含有电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波阻抗很小, 谐波电流叠加在电容器的基波上, 不仅使电容器运行电压的有效值增大, 而且可能使峰值电压增大很多, 使电容器在运行中发生局部放电时电弧不能熄灭, 对绝缘介质更能起到加速老化的作用, 从而缩短电容器的使用寿命, 在谐波严重的情况下, 还会引起电容器过负荷击穿甚至爆炸。

对电力变压器的危害:谐波使变压器的铜耗增大, 包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大。

对电力电缆的危害:由于谐波次数高频率上升, 再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显, 从而导致导体的交流电阻增大, 使得电缆的允许通过电流减小。另外, 电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联, 提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联, 在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

2.3 对用电设备的危害

对电动机的危害:由于集肤、磁滞、涡流等随着谐波频率的升高, 使旋转电机的铁心和绕组中的附加损耗增加, 降低效率, 产生附加温升, 限制电机的运行条件。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场, 形成与电动机旋转方向相反的转矩, 起制动作用, 减少电动机的出力。谐波过电压威胁绝缘, 有可能引起较大的谐波轴电压, 从而击穿轴承油膜, 这将缩短电动机的寿命, 甚至损坏电机。谐波严重时会使电机产生机械谐振, 发出巨大的噪声。

对低压开关设备的危害:对于配电用断路器来说, 全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热, 同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难, 且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器, 由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热, 使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器, 谐波也要使其额定电流降低, 尤其是检测峰值的电子断路器, 额定电流降低得更多。由此可知, 上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

3 减少谐波影响的抑制、治理措施

3.1 降低谐波源的谐波含量

这种方法比较积极能够提高电网质量, 可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有:

增加整流器的脉动数:整流器是电网中的主要谐波源, 其特征频谱为:n=Kp±1, 则可知脉冲数p增加, n也相应增大, 而In≈l1/n, 故谐波电流将减少。因此, 增加整流脉动数, 可平滑波形, 减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器, 以减少交流侧的谐波电流含量。理论上脉波越多, 对谐波的抑制效果越好, 但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂, 体积越大, 变流器的控制和保护变得困难, 成本增加。

脉宽调制法:脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻, 保证1/4波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式, 使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量, 达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的, 目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线:三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式, 这样可以消除3的整数倍次的电力谐波, 从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11......等次谐波。

3.2 在谐波源处吸收谐波电流

这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法, 目前常用的方式采用有无源滤波装置和有源滤波装置等。

无源谐波滤除装置:无源滤波器也称为LC滤波器, 可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器, 实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置, 单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路, 其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。无论高压和低压都是一样的。高压滤波器和低压滤波器的区别, 主要是使用的元器件的耐压不同, 其所承受的电流也不同, 要求的安全距离也就不同, 其设计和制造的难易程度也就有极大的区别。

有源谐波滤除装置:有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的, 它的滤波效果好, 在其额定的无功功率范围内, 滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路, 使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度, 但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。由于受到电力电子元件耐压, 额定电流的发展限制, 成本极高, 其制作也较之无源滤波装置复杂得多, 成本也就高得多。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统。

3.3 改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡, 可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电, 承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电, 减少谐波对其他负荷的影响, 也有助于集中抑制和消除高次谐波。

结语

随着我国电能质量治理工作的深入开展, 综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题, 是电力企业当前面临的一大课题。针对这一课题深入研究, 在设计、制造和使用非线性负载时, 采取有力的抑制谐波的措施, 不仅能够改善整个网络的电力品质, 同时也能延长用户设备使用寿命, 提高产品质量, 降低电磁污染环境, 减少能耗, 提高电能利用率。

参考文献

[1]宋文南.电力系统谐波分析[M].北京:水利电力出版社.1995.

[2]张炎鹏.浅谈电力谐波的危害与综合治理[J].山东电力高等专科学校学报, 2006 (01) .

电力电子技术与谐波抑制 篇2

电力电子技术在电力系统中的应用不仅能够提高系统的输电能力，而且还可以在降低系统能耗的同时，改善输电质量，提高电力输送的灵活性和稳定性。

但在电力电子技术得以应用的同时，其相关设备也成为了电力系统运行当中的谐波源，并在运行过程中对系统的无功功率进行消耗，从而对电力系统的正常运行产生严重影响。

因此，加强对谐波问题和无功功率损耗问题解决方法的研究力度，已成为电力生产、输送领域需要面对和解决的主要问题。

1 配电系统中谐波与无功功率概述

对配电系统中的水泵异步电机和荧光灯与支撑计算机系统运行等负载进行分析可知，其必须消耗系统产生的无功功率方能实现正常工作。

但变频器、整流器等电力电子装置通常采用的是相控方式工作的，这种控制方式使得此类设备的交流侧电压常滞后于系统运行电压，其不仅会消耗大量的无功功率，而且在运行的同时还会产生谐波电流，从而影响电力系统的正常运行。

给出有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者的关系式：

S2=P2+Q2 (1)

其中，P为系统瞬时功率在单位周波中积分得平均值，即系统交流平均功率，S为各类电器设备的最大可利用容量，具体来说就是电压U和电流I的有效值乘积，分别由设备的绝缘性和导线横截面积决定;Q表示具备储能性质的电气元件功率交换的幅度，通常单相电路功率互换大都发生在储能设备和电源中，而三相电路功率互换则以在具有储能性质的三相设备中的往复流动为主，需要说明的是任意时刻内，三相无功功率的和恒定为零。

2 无功功率和谐波对电力系统的影响

2.1 无功功率对电力系统的影响

(1)无功功率的加将会使得供电设备的视在功率S增加，同时，也会引发启动设备、控制设备和仪表等测量设备的尺寸与规格扩增;

(2)无功功率的增加必将使得电力系统设备与线路损耗更加严重，缩短电气设备寿命;

(3)无功功率增加将会引发变压器与线路压降的扩大，从而使电网电压产生剧烈波动，影响电力系统的稳定性。

2.2 谐波的主要危害

(1)变频器和整流器等所产生的谐波将引起电气设备附加谐波的损耗，同时，使得供配电设备的工作效率下降;

(2)谐波对各类电气设备的影响也较为严重，例如，引起系统的过电流和过电压，从而增加变压器的负担，引发电缆过热和绝缘装置老化;

(3)谐波的另一危害体现在对公用电网的影响上，由于电网中的电流大都是以正弦的形式存在的，而谐波的产生会导致非正弦电流电路的功率因数增加，从而在电场中产生非正弦电流，导致公用电网的局部谐波被进一步放大，甚至将会导致串、并联谐振，增加电力设备的安全风险。

3 电子电力技术的应用现状

由于电子电力技术在无功功率补偿和谐波抑制方面具有较为鲜明的作用，故对电子电力技术的应用情况进行了解是极为必要的。

3.1 高压直流输电技术――HVDC

此项技术对容量较大且距离较远的电力传输工作而言具有较强的优越性。

由于在输电过程中，基于HVDC技术输电时产生的电能损耗要远低于以传统交流输电技术为主所产生的电能损耗，且HVDC在支持电力传输时所需的传输线缆更少，在减少占地的同时，也省去了传统交直流输电转化所需的特殊设备，故而在远距离传输时具备良好的经济性。

现阶段，全球HVDC工程拥有50余个，技术支持的总设备容量达到了3.6×104MW，考虑到我国的地域辽阔且能源分布不均等情况，加大对HCDC技术的研发和投入力度极为必要。

3.2 静止无功补偿器――SVC

将以晶闸管为基础元件的固态开关取代原有的机械开关，通过对抗电器与电容器进行控制，从而实现快速且频繁地对输电系统导纳功能进行改变的目的。

通常，SVC由固定或可变电容器支路同系统中的可控支路并联组成，分为TCR、TCT以及TSC和SSR四种类型，其中，TCR型SVC的反应速度最快，可达5-20ms，且不仅运行可靠，而且在分相调节和价格与使用范围方面也具有较大的优势。

目前，全球已拥有220余套配置SVC的输配电系统，总容量已达到3.5×104var，随着SVR优势的进一步普及，其在输配电领域和工业用电方面必将得到全面的发展和推广。

4 无功功率补偿与谐波抑制现状

电力系统中的无功功率补偿方法主要包括了同步发电机、调相机、电动机的引用补偿和并联电容器与SVC补偿，由于多数工程供电系统中，阻感性负载占据绝大部分，使得总等效负载呈现感性，故而可采用并联电容器的方式对无功功率进行补偿，从而提高功率因数。

根据电容器在系统中安装位置的差异，其并联补偿方式主要包括以下几种：

(1)将电容器组集中安置在电源母线上，从整体上提高变电装置的功率因数，降低馈出线路的无功损耗。

(2)分区补偿。

在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组，以此来增强无功功率补偿的效果，但缺点是同集中补偿相比，分区补偿的范围有所减小。

(3)就地补偿。

对异步电动机等感性设备进行功率补偿时，将电容器组安置在负载设备周边进行无功补偿，在提高用电设备在供电回路功率因数的同时，改善用电设备的电压质量。

供电系统谐波抑制的方式主要有两种，一种是利用无缘LC滤波器或是有源电力滤波器对系统运行过程中所产生的谐波进行过滤;另一种是对谐波源进行改造，例如将变流器的相数提高或更换具有较高功率因数的整流器等。

其中，LC无源滤波器抑制谐波的方法较为常见，采用电力电容器以及电抗器电阻对具备某一特征的次谐波进行抑制，在次谐波频率下滤波器的逐鹿进行串联谐振，同时，写成具有较低阻抗的通路，从而使次谐波电流尽可能少地流入到电网当中，最大限度地降低谐波对电网的影响。

5 结论

本文通过对配电系统中的谐波和无功功率产生的原因进行分析，在结合无功功率以及谐波对电力系统影响的基础上，从电子电力技术应用现状的角度出发，提出了无功功率补偿和谐波抑制的相关方法。

可见，未来加强对电子电力技术以及无功功率补偿与谐波抑制方法的研究和应用力度，对于促进电力产业的健康、稳定发展具有重要的现实意义。

参考文献

[1]李志远.无功补偿装置SVG技术研究及应用[J].科技风，，10(12)：70.

[2]张生龙.浅谈电力系统中无功补偿的重要性和其主要方式[J].科技创新导报，2014，02(23)：76-77.

电力谐波抑制及治理 篇3

关键词：电力系统 谐波 原因 危害 治理

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0110-01

近年来，社会在发展过程中对电能的需求量不断增加，电力系统安全稳定的运行对电能稳定的供应至关重要。谐波的存在是电力系统在发电、输电和用电过程中不可避免的一个问题，其对发电、电能输送用用电方都会带来较大的影响，对电力系统带来较大的危害，所以需要对电力系统中的谐波进行有效的抑制，降低其所带来的危害，确保电力系统能够安全稳定的运行。

1 谐波概念及其产生来源

1.1 谐波概念

谐波属于正弦波，是频率为基波的整数倍，在电网中由于存在有非线性元件和非线性负载，这就导致电网中会有与基波频率成整数倍或是分数倍的其他正弦波存在，即电网谐波，目前在电力系统中所产生的谐波多为高于基波频率整数倍的高次谐波，其给电网带来的影响较大。

1.2 产生来源

电力系统谐波的产生是不可避免的，但其谐波产生的来源主要包括三大类，即铁磁饱和型、电子开关型和电弧型。在电力系统运行过程中，由于变电压和电抗器等铁芯设备，其铁磁饱和特性会呈现非线性，所以会导致谐波产生。

2 电力系统中谐波的危害

2.1 对供配电线路的危害

2.1.1 影响线路的稳定运行

目前在我国电力线路或是电力变压器运行过程中，为了能够在故障情况下确保线路及设备的安全，则其继电器通常选用的都是电磁式继电式、感应式继电器或是晶体管继电器，但无论是电磁式继电器、感应式继电器还是晶体管继电器自身都有其优缺点，特别是在运行过程中都极易受到谐波的影响，从而导致误动或是拒动的发生，使供配电系统运行的安全性受到较大的威胁。

2.1.2 影响电网的质量

民用配电系统中的中性线，其在运行过程中，在负载作用下会有大量的3次谐波产生；在三相配电线路上，相线上的3的整数倍谐波会在中线性进行叠加，这样就可以导致中性线上的电流值可能会比相线上的电流值高。同时，当谐波电压和谐波电流处于相同频率时，则会导致同次谐波的有功功率和无功功率产生，从而导致电网上的电压降低，导致电网容量的浪费。无论哪种情况，都会给电网的质量带来较大的影响，不利于电网安全稳定的运行。

2.2 对电力设备的危害

2.2.1 对电力电容器的危害

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。

2.2.2 对电力变压器的危害

谐波给电力变压器带来的危害是十分大的，其不仅会导致电力变压器的铜耗和铁耗增大，而且还会导致电力变压器的噪声增大。电力变压器作为电力系统中非常重要的设备之一，由于谐波的存在，会导致电力变压器电阻损耗、涡流损耗及杂散损耗增加，特别是在谐波作用下，电压波形会变差，这给导致变压器铁心中的磁滞损耗增加。所以在选择变压器，则需要确保所选择的变压器容量上要留出电网中的谐波含量。

2.2.3 对电动机的危害

当有谐波产生时，会导致电动机的附加损耗增加，电动机的功率下降，严重时还会导致电动机出现过热的情况。特别是电动机中负序谐波的存在，会导致负序旋转磁场的产生，由于其转矩与电动机旋转的方向相反，所以会对电动机的正常运转起到制动作用，使电动机的出力降低。电动机中的谐波电流，当其与某零件的固有频率接近时，则会导致机械振动的产生，从而导致运行中的电动机会产生较大的噪声。

2.2.4 对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

3 电力系统谐波治理

3.1 增加整流变压器二次侧整流的相数

对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一，通过增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。

3.2 尽量选用高功率因数的整流器

采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法，用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造，使其尽量不产生谐波，其电流和电压同相位的组合装置，这种整流器可以被称为单位功率因数变流器（UPFC）。该方法只能在设备设计过程中加以注意，从而得到实践中的谐波抑制效果。

当然，除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法，它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置（SVC）等等，在此就不再详细论述。

4 结语

随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，各种新技术和新设备都得以在电网中应用，先进的电能质量测试仪器及先进可靠的电能质量监测网络的建立，不仅可以及时分析和反映电网的电能质量水平，而且还能够找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因，并采取相应的治理措施，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。

参考文献

[1]熊杰锋，李群，袁晓冬，等.电力系统谐波和间谐波检测方法综述[J].电力系统自动化，2013，37（11）：125-133.

[2]蒋平，邓俊雄，曹莹.一种先进的电网谐波检测方法[J].电力系统及其自动化学报，2001，13（3）：20-24.

电力系统谐波的产生及抑制方法探讨 篇4

近年来电力电子技术得以广泛的应用, 无论是家用电器还是变流装置在应用过程中都会导致供电系统非线性负载大幅度增加, 从而导致电网产生大量的高次谐波。这些谐波在电力系统中存在, 当运行时间较长时, 则会导致能量损耗、变压器过热及绝缘老化等现象发生, 从而使电力系统处于不安全的运行状态, 因此需要针对电力系统运行过程中谐波的来源及危害, 从而对谐波采取有效的抑制方法, 确保电网能够安全、稳定的运行。

1 谐波定义及特征

1.1 供电系统谐波的定义

当对供电系统运行过程中的周期性非正弦电量进行分解时, 所得到的分量一部分与电网基波频率相同, 另一部分分量大于电网基波频率, 因此将这部分电量称为谐波。谐波次数则是谐波频率与基波频率的比值。在电网运行过程中, 也存在着一些非整数倍谐波, 即非谐波或是分数谐波。谐波对于电网运行过程中的干扰因素, 会对正常运行的电力系统带来一定的干扰, 影响电力系统运行的安全性和稳定性。

1.2 电力谐波的特征

在电力系统运行过程中, 在理想状态下, 三相交流发电机所发出来的电压波形为正弦波形, 即在只有线性元件的简单电路里其电流和电压则会呈现为正比例的关系, 而所流运的电流也是正弦波。但在供电系统实际运行过程中, 非线性负荷的存在具有不可避免性, 这也就导致电流和电压无法呈现出线性关系, 从而导致非正弦电流产生, 而负荷图形也都属于非对称性。在负荷不断变化下, 负荷图形的斜率也会随之而发生改变。而且对于任何坝基性的波形来讲, 都可以将其进行分解, 会得到一个基频正弦和许多谐波频率的正弦。通常情况下, 谐波频率为基频的整倍数, 而且当电流波形出现畸变时, 还会有多次谐波产生。对于所产生的谐波, 其电流量与电网的参数并不存在什么关系, 主要由谐波源设备本身的特性及工作状况决定, 可将其视为恒流源。各种晶闸管电路上所产生的谐波称为该电流的特征谐波, 主要取决于电路的形式。

2 电力系统中谐波的来源

2.1 发电环节

长期以来各国根据自身的能源资源构成多采用火力、炎力及核能等形式来进行发电。但近年来化石资源短缺的现象日益严重, 能源危机不断加剧, 在这种情况下, 人们对绿色新能源更加青睐, 一些清洁、无污染及可再生的绿色能源开始在发电系统中进行就用, 多以风能、太阳能及燃料电池等为主。利用这些种类能源进行发电时其发电形式多以非正弦及非工频的形式为主, 这就需要在将其接入电网过程中需要毛毛虫用电力电子电能转换装置, 将这些电源进行转换, 以正弦及工频的交流电源形式从而使不同频率的电源及电网能够处于同步运行。但在这种过程中, 如由变频装置来将风能接入电网时, 则需要由变频装置装一定数量的谐波注入到电网中, 这则会导致电网中谐波来源越来越复杂化。另外, 发电机三相绕组及铁芯等在运行过程中也不可处于完全一致性, 不可避免的会有谐波产生。

2.2 输配电环节

随着柔性交流输电技术和高压直流输电技术的快速发展, 大量的电力电子装置被引入电力系统中, 比如用于提供无功功率补偿功能的静态无功补偿器、用于提高输电线路输电容量和改善线路运行情况的可控串联补偿装置以及用于高压直流输电技术的高压直流换流器等, 这些电力电子装置虽然灵活的控制了电网的运行, 保证电能安全、稳定、经济、高效的输送, 但由其产生的谐波给电力系统带来了不小的副作用。

2.3 用电环节

随着电力电子技术的长足发展, 一些大功率的开关器件构成的新型电器产品越来越被广泛应用, 它们大多采用非正弦的电流方式用电, 对于电力系统来讲属于非线性负载, 其在节能方面确实产生了一定的作用, 但是, 这些以非正弦电流方式用电的新型非线性负载已经成为当今电力负载中最主要的谐波源。

3 电力系统中谐波的危害

电力系统中谐波的存在对电力系统运行的稳定性带来了较为严重的影响, 直接威胁电力系统发供电设备正常的运行。在电力系统输电线路中, 谐波的产生会导致网损产生, 同时还会导致电能传输效率降低, 严重影响电网中电压质量。而且在输电线路运行过程中, 由于存在畸变的谐波, 则会导致各种不同种类的继电器有误动作及不动作的现象发生, 不利于供配电系统运行的安全性。当谐波存时, 变压器和电动机运行过程中绕组及铁芯线圈会存在额外发热的情况, 导致损耗增加, 对其使用寿命具有较大的影响。而且谐波存时, 还会对计算机和通讯系统的正常运行带来不同程度的干扰, 使其工作的精度受到影响, 甚至导致画面出现畸变, 使画面质量下降。而且随着科学技术的快速发展, 仪器开始向更高精度的方向发展, 控制系统越来越复杂化, 人们对电网质量的要求不断提升, 这也会导致谐波的危害更加明显, 谐波会成为当前我国工业快速发展的重要阻力, 使工业发生过程中会有巨大的经济损失产生。

4 电力系统中谐波的抑制方法

当前电力系统中为了能够有效的对谐波进行抑制, 通常会通过二种方法来进行, 即安装谐波补偿装置和对电力设备进行改造。

首先, 安装谐波补偿装置。这是一种补救性措施, 通常是将谐波补偿装置安装在已经产生谐波的设备和系统中, 补偿装置以无源滤波器、有源滤波器及混合型有源滤波器为主。当前应用最广的当属于无源滤波器, 其不仅结构简单, 而且费用较低。近年来随着滤波技术的快速发展, 有源滤波器得到产生, 其主要是通过对谐波电流进行检测, 然后将与检测谐波大小电波相同及相位相反的谐振波电流注入到系统中, 两个谐波电流在相互抵销过程中确保了系统能够安全、正常的运行。将无源滤波器和有源滤波器的优点有效的综合在一起, 从而形成混合型有源滤波器, 不仅可以实现谐波的快速补偿, 而且可以实现对谐波进行过滤及无功补偿, 确保了滤波补偿效率的提升。

其次, 改造电力设备。这是一种防御性措施, 在电气工程设计时就对谐波因素进行充分考虑, 从而采取有效措施来实现对谐振波进行控制, 尽管这种对电力设备进行改造的方法无法完全消除谐波, 但对于谐波的产生能够产生一定的抑制作用, 减轻谐波所带来的危害。

5 结束语

就目前的电力系统而言, 谐波源存在于发供用电的各个环节, 谐波源的存在严重影响了电网的质量以及运行的稳定, 随着电力电子技术的不断发展, 各种大功率整流设备的广泛应用, 谐波的危害作用将会愈加凸显, 其表现形式会更加复杂, 造成的经济损失会更加巨大, 这是我们的电力系统的必然挑战, 也是我们输电技术发展的重要契机。

参考文献

[1]刘利宏.治理谐波污染、提高电能质量[J].电气时代, 2002 (8) :41-42.

[2]杨斌文.电力系统中谐波的抑制方法[J].电气时代, 2002 (3) :55-56.

电力谐波抑制及治理 篇5

关键词：电力系统,谐波,危害,抑制措施

因为谐波的频率明显高于基波从而又被称作高次谐波。如果高次谐波重复加在基波上, 会导致其波形发生变形, 并从正弦波转变成非正弦波。随着电子科技的发展, 用电装置不断得到改善和进步, 但是, 各非线性的负荷也随之增加, 进而引入大量的谐波电流进入网, 对电力系统造成极深的负面, 因此对其危害进行相应的抑制措施成为解决电力系统谐波问题的主要内容之一。

1 谐波对电力系统的危害分析

高次谐波会对电力系统造成不同程度的危害, 尤其是电力装置的负面影响, 谐波对电力系统产生危害的途径主要是对电抗值进行控制, 即增加感抗或者减小容抗, 提升其集肤效果或者增加转矩等, 同时还能对电力系统中的磁感应和电容耦产生危害。

1.1 并联电容器的危害

高次谐波对并联电容器的危害比较大, 具体表现在: (1) 由于谐波电流会重复叠加在基波的基础上, 从而导致其电流的有效值增加, 电容器的温度快速增高后发生损坏; (2) 谐波的峰值电压过大, 会导致电容器在运行过程产生局部放电后, 无法熄灭, 从而引起电容器的损坏; (3) 经过电路的研究发现, 电容器能够将电网中的谐波电流进行放大, 且放大到原来的2至5倍, 产生的并联谐振能放大到原来的30倍以上, 导致电容器无法承受过重的负荷产生跳闸, 进一步影响到电力系统的正常运行[1]。

1.2 对电机运行的危害

(1) 当谐波电流通过发电机时, 因为高次谐波存在过度的集肤效应, 因此发电机在进行定子绕组、转子回路时, 或者在定子和转子铁芯中增加损耗, 导致发电机温度增高;如果谐波电流经过汽轮发电机时, 超过10%的额定电流, 温度会急剧上升; (2) 谐波电流会导致发电机出现振动, 且还会发出噪声, 甚至还会出现谐振通过电压; (3) 在感应电动机运行过程中, 谐波电流会提高定子和转子铜的能量耗损, 进而增加转矩, 促使电动机产生振动。

1.3 对变压器的危害

(1) 高次谐波的电压能让变压器出现集肤效应或者邻近效应, 加快变压器能量损耗, 损耗的效果为:5次谐波电压等于基波电压的3%, 则变压器出现的铁损可增加到1.5%; (2) 变压器的外壳、紧固件在谐波电流的作用下出现发热、铁芯振动和噪声的加大[2]。

1.4 输电线路的影响

(1) 如果高次谐波出现的电流过大, 会推迟供电流出现熄灭的时间、线路单相闸无法进行重合等问题; (2) 其他情况下, 谐波电流能让电缆中的浸渍绝缘部分产生局部的放电, 从而增加了电缆的介损, 提高其温度; (3) 谐波电流能把输电线路中的电流提高其有效值, 加快其线路的损坏。

2 谐波对电力系统产生危害的抑制措施

2.1 选择适宜的供电电压

电力系统中的短路容量高, 所能承受的谐波的范围也较广, 而高压电网中的短路容量整体上也会比相同系统的低压电网容量高, 因此, 在一定的条件下, 存在较大容量的谐波源系统可以从高一级电压电网中实施供电[3]。

2.2 安装无源滤波器

无源滤波器能够把特殊频率进行更改后对电源产生抵抗, 主要应用在形态固定不变的系统[4]。源滤波器的特点主要有:构造简单、投资费用少、运行安全性高等, 能对谐波形成较强的抑制作用;常用的是传统LC滤波器, 将其组成无源谐波抑制系统, 该系统主要由滤波电容器、滤波电抗器与滤波电阻器相结合组成, 不仅能够能和谐波源实现并联起到滤波的作用, 还能进行无功补偿。

2.3 改变换流器的相数

电力系统在运行过程, 主要使用的是硅换流设备, 换流方式为:交流-直流之间的直接变换, 在换流过程会导致交流侧发出大量的高次谐波, 电力系统运行过程在产生谐波的主要原因来自换流设备。换流设备的特征谐波出现的频率为:n=kp±1, 其中n次表示的是谐波电流的有效值, 即In≈I1/n, I1表示的是基波电流有效值, 由此可以看出, 改变换流器的相数, 能够有效将换流设备中的脉动次数增加, 从而增加n值, 进而减小谐波电流, 常规的可控硅整流设备是6相, 可以选择使用12相或36相, 进一步减小谐波电流, 12相整流能有效将高次谐波电流减小到全电流的1%, 同时也降低其危害性。

2.4 选择使用绿色变频器

绿色变频器实行电流的输入和输出都属于正弦波。输入的功率因数具备可控性, 且无论承担任何负荷都能可以有效将功率因数变为1的变频器。绿色变频器内部安装着交流电的电抗器, 不仅能更好对谐波进行抑制, 还能对整流桥进行维护, 以免受到电源电压出现的瞬间尖波的影响。通过研究证明, 具有电抗器的变频器所产生的谐波电流明显低于无电抗器的变频器。此外, 为有效降低谐波的干扰, 可以在变频器的输出回路位置安置噪声滤波器, 根据变频器的具体情况, 减少变频器所载波的频率。

2.5 有效将畸变电压与线性负载相分离

将非线性负载应用在电力系统运行过程中, 会导致谐波的出现。由于非线性负载会让非正弦电流对电缆形成阻抗的同时衍生出非正弦的电压降, 该压降能够和电源电压相结合形成非正弦电压, 并到另一线路后则将负载进行转移, 导致谐波电流也会通过其它相连接的设备。所以, 如果把电缆的截面积扩大, 能够有效降低回路遇到的阻抗, 进而缩小通过其它设备的谐波电流量[5]。当前, 主要普遍适用于扩大电缆横截面积的方法是增加变压器容量, 着重扩大中性线电缆的横截面积, 并选择使用能够进行开断断路器或者熔断器, 因为该设备所需电流量较大, 然而安装此类设备仍然无法有效将谐波清楚和降低, 反而能给谐波创造运行条件, 增加了运行的成本, 为电力系统的运行留下安全隐患。通过研究发现, 能有效解决谐波问题的方式是:使用不同的电源接口点把线性负载和非线性负载进行分离, 并使用不同的线路进行供电, 才能有效将非线性负载所形成的畸变电压与线性负载相分离。

3 结论

谐波成为危害电力系统正常运行的主要原因之一, 因此需要实行相应的措施对其进行抑制, 提高电力系统的运行效率, 通过对发电机和变压器等电力设备进行合理的改进和绕组减轻谐波电压、电流的输出, 可以从上述的五个方面对谐波进行有效控制, 虽然无法对谐波进行彻底的清除, 但能够有效降低其对电力系统运行过程造成的危害。

参考文献

[1]童先立, 邬辉.电力系统谐波及滤波技术[J].江西电力职业技术学院学报, 2013 (04) :205-223.

[2]关勇, 朱红川.蒙西电网谐波状况分析及抑制对策[J].内蒙古电力技术, 2011 (04) :147-183.

[3]陈其松, 陈孝威, 戚琳, 王国美.电力系统谐波检测与抑制[J].微计算机信息, 2012 (28) :229-241.

[4]李昌良.电力系统谐波产生和控制方法的探讨[J].四川电力技术, 2013 (04) :58-81.

电力谐波的污染及治理对策 篇6

早在20世纪20年代到30年代, 由于德国使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变, 使人们对电力系统的谐波问题引起了注意。70年代以来, 由于电力电子技术的飞速发展, 各种电力电子装置的广泛应用, 谐波所造成的危害也日趋严重。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议, 不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

电能质量包含多个方面, 如电网电压偏差、电压谐波、电压波动与闪变、三相电压不平衡度等, 但电压谐波是电能质量中最重要的一种。谐波主要是由用户中的非线性用电负荷 (如:整流装置、冶炼炉、电气化机车等) 引起的, 一个用户引起的谐波不仅影响到自身, 而且污染电网并影响到该电网中的其它电力用户。因此, 通过对电网各点谐波的监测及分析处理, 以推进谐波的治理, 对提高电网的电能质量和加强电网的管理均有着重要意义。

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解, 除了得到与电网基波频率相同的分量, 还得到一系列大于电网基波频率的分量, 这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值 (n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波, 称为非谐波 (Nonharmonics) 或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量, 使电网受到“污染”。如变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变, 结果是在输入输出回路产生电流高次谐波, 干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备。

2 产生谐波的各种原因及产生谐波的设备

2.1 产生电网谐波的设备来源

(1) 发电电源。由于发电机三相绕组很难做到绝对对称, 铁心也很难做到绝对均匀等原因, 发电源多少也会产生一些谐波。

(2) 输配电系统。输配电系统中主要是由于变压器的工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上, 使得磁化电流呈尖顶波形, 因而含有奇次谐波。变压器工作点偏离线性越远谐波电流越大, 其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。

(3) 用电设备。如晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用, 给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控制, 从电网吸收的是缺角的正弦波, 从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波, 在留下部分中显然含有大量的谐波。经统计表明:由整流装置产生的谐波约占所有谐波总量的40%, 这是最大的谐波源。

(4) 变频装置。常用于风机、水泵、电梯等设备中的变频装置, 由于采用了相位控制, 谐波成份很复杂, 除含有整数次谐波外, 还含有分数次谐波, 这类装置的功率一般较大, 随着变频调速的发展, 对电网造成的谐波也越来越多。

(5) 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料, 使得燃烧不稳定, 引起三相负荷不平衡, 产生谐波电流, 经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2、7次的谐波, 平均可达基波的8%~20%, 最大可达45%。

(6) 气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性, 可知其非线性十分严重, 有的还含有负的伏安特性, 它们会给电网造成奇次谐波电流。因具有调压整流装置, 会产生较深的奇次谐波。在有绕组的设备中, 因不平衡电流的变化也能使波形改变。

(7) 家用电器虽然功率较小, 但数量巨大, 也是谐波的主要来源之一。

2.2 谐波来源测试分析实例

某小炼钢厂以炼钢为主, 有5家业户, 共有5台中频炼钢炉, 每家业户各有2台变压器并列运行。各变压器容量为400k VA, 通常工作在低谷电价时间。测试时间为23日下午1时45分, 工作时段为:23日13:45~24日09:28。测量次数为1183次, 时间间隔为1min。

从测试的结果看, 该厂的电压总畸变率A相95%概率值为7.52%, C相95%概率值为7.30%, 均已超过国标规定4%的限制值。在测试当天17点以后, 为躲峰谷电价, 钢厂已停产, 此时10k V线路的电压畸变率低于国标的限定值。

从谐波电压测试结果看, 钢厂工作时的5次和7次电压谐波含有率越限次数较多。从谐波电流测试结果看, 钢厂工作时主要产生的5、7、13、19、21次谐波电流, 这与钢厂的负荷性质有关, 其中5、7次谐波电流较大, 超出国标中按最小短路容量计算的谐波电流允许值。

3 电网谐波的危害

3.1 对供配电线路的危害

(1) 影响线路的稳定运行。有的地方供配电线路与变压器一般采用电磁式或晶体管继电器予以保护, 使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作, 因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点, 但由于采用了整流取样电路, 容易受谐波影响, 产生误动或拒动的可能较大。这样, 谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

(2) 影响电网的质量。电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线, 由于荧光灯、调光灯、计算机等负载, 会产生大量的奇次谐波, 其中3次谐波的含量较多, 可达40%;三相配电线路中, 相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加, 使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外, 相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率, 从而降低电网电压, 浪费电网的容量。

3.2 对电力设备的危害

(1) 对电力电容器的危害。当电网存在谐波时, 投入电容器后端电压增大, 通过电容器的电流增加得更大, 使电容器损耗功率增加。如果谐波含量较高, 超出电容器允许条件, 就会使电容器过电流和过负荷, 异常发热, 在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化, 从而缩短电容器的使用寿命。一般来说, 电压每升高10%, 电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者, 在谐波严重的情况下, 还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

(2) 对电力变压器的危害。谐波使变压器的铜耗增大, 其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加;使变压器的铁耗增大, 即铁心中的磁滞损耗增加;使电压的波形变得越差, 则磁滞损耗越大。由于以上两方面的损耗增加, 要减少变压器的实际使用容量。除此之外, 谐波还会导致变压器噪声增大。

(3) 对电力电缆的危害。由于谐波次数高频率上升, 再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显, 从而导致导体的交流电阻增大, 使得电缆的允许通过电流减小。另外, 电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联, 提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联, 在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

(4) 对用电设备的危害。谐波增加异步电动机的附加损耗, 降低效率, 严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场, 形成与电动机旋转方向相反的转矩, 减少电动机的出力;对低压开关设备如配电用全电磁型、热磁型和电子型的断路器, 对于漏电断路器、电磁接角器、热继电器来说, 都可能因受谐波影响而产生误动作。

(5) 对弱电系统设备的干扰。对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备, 电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中, 产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比, 传导则通过公共接地耦合, 有大量不平衡电流流入接地极, 从而干扰弱电系统。

(6) 影响电力测量的准确性。目前采用的电力测量仪表还中有磁电型和感应型, 它们受谐波的影响较大。特别是电能表 (多采用感应型) , 当谐波较大时将产生计量混乱, 测量不准确。

4 抑制谐波干扰的对策与常用的方法

谐波的传播途径是传导和辐射, 解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。

(1) 变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立, 或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器, 切断谐波电流。

(2) 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器, 或安装谐波滤波器, 滤波器的组成必须是LC型, 吸收谐波和增大电源或负载的阻抗, 达到抑制谐波的目的。

(3) 电动机和变频器之间电缆应穿过钢管敷设或用铠装电缆, 并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设, 避免辐射干扰。

(4) 信号线采用屏蔽线, 且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离 (至少20cm以上) , 防止辐射干扰。

(5) 变频器使用专用接地线, 且用粗短线接地, 邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开, 使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

5 结束语

电力系统的初级谐波分析及治理 篇7

在电网中出现的非正弦波的波形畸变是有电力系统中的非线性设备引起的, 流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成线形比例关系。根据傅里叶级数进行分解, 任何周期或非周期性的畸变波形都可用一系列不同频率的正弦波的和表示。也就是说:对畸变波形, 该波形可用一系列基波频率整数倍的理想的正弦波形来表示。其中, 频率为基波频率整数倍的波形就称为谐波。

因为电力系统是有双向对称的元件组成的, 这些元件产生的电流电压具有半波对称性, 因此偶次谐波可抵消, 我们可以忽略电力系统中的偶次谐波, 而只需观察奇次谐波即可。

通常在三相整流桥电路中, 其网侧各次谐波的有效值与次数成反比:In=I1/n。其中In为n次谐波电流值, I1为基波电流值, n为谐波次数。

在以前的用电设备中, 像是的白炽灯等简单的电阻型用电设备中, 并也多少谐波成分的存在。而随着科技的发展, 用电设备日益更新换代, 公共电网中各种谐波也相继出现并日益严重。目前, 公共电网设备中的主要谐波源, 就其非线性特性而言主要有三大类:

电子开关型:主要为各种交直流转换装置、双向晶闸管可控开关以及变频器等电力电子设备, 而非线性呈现交流波形的开关切合与换向特性。

铁磁饱和型:各种铁心设备, 如变压器、电抗器等, 其铁磁饱和特性呈非线性。

电弧型:交流电弧炉及交流电焊机等, 其电弧电压与电弧电流呈现不规则的随机变化的伏安特性。

随着现代工业迅猛发展, 精密半导体电子设备及大功率可控硅的广泛应用, 导致大量非线性负荷增加;这些设备对电力系统的供电质量更加敏感, 而这些设备又同时导致了电力系统的波形畸变。

民用、商用建筑中, 多为单相电源, 以3次谐波为主, 例如电脑、不间断电源 (UPS) 、冷气机、中央空调、荧光灯节能灯的镇流器, 微波炉、复印机等。

工业系统中, 多为三相电源, 以5~7次谐波为主, 例如电梯、变频器、恒温设备、电焊机、通讯系统基站等。

这些设备, 即使供给它理想的正弦波电压, 它取用的电流也是非正弦的, 即有谐波电流的存在。其谐波电流的含量基本取决于其自身的工作特性和工作状况以及施加给他的电压, 而与电力系统的参数关系不大, 因此常被看做谐波恒流源。

谐波基本以3、5、7次为最主要, 其他阶次相对来说影响不大, 因此谐波治理以3、5、7次为主。

谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗, 降低了用电设备的效率, 大量的谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾;谐波对电机的影响除引起附加损耗外, 还会产生机械振动、噪声和过电压, 使变压器局部严重过热;谐波还会引起公共电网中局部的并联谐振和串联谐振。从而使谐波放大, 使谐波危害大大增加, 甚至引起严重事故;谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作, 并会使电力测量仪表不准确;谐波还会对临近的微电子设备和通讯系统产生干扰, 严重的会使系统无法正常工作。

在有谐波的系统中, 只要将常规的电容器组连接到此母线上, 就会产生某一特定频率的并联或串联谐振, 如果这一谐振频率与某次谐波频率重合, 谐波电流和谐波电压就会被显著放大。以下主要分析并联谐振情况:

对于系统中的谐波源而言, 并联电容器与系统等值电感为并联关系, 在某一特定频率下, 当电容器组的容抗和系统总电抗相等时, 从谐波电流源处看到的电感和电容的并联视在阻抗很高, 这就是典型的并联谐振。

并联谐振原理分析:

f越大, Zc越小, 电容器对高次谐波电流呈低阻抗, 高次谐波电流会更多的通过电容器, 式电容器长期过载, 发热情况长期得不到改善, 而最终导致损毁。

当谐波次数为某个特定的n时, 可能会导致为零而谐振。此时, Z将无限大, 而U=I*Z, 因此U迅速增大, 此时会使电容器击穿甚至爆炸。

现阶段, 谐波的问题基本可以用以下方式解决:

1、调谐滤波电容器组:在功率补偿电容器前串上调谐电抗器, 使之调谐在某一特定频率。这样, 对于基波而言, 补偿设备呈容性, 可以正常进行无功补偿;对于谐波而言, 补偿设备呈感性, 使谐振不能发生。这种情况下, 大部分谐波电流流入电网, 仅有少量流入电容器组。

2、无源滤波器组:主要是由电容器、电抗器组合而成, 构成串联LC谐振电路的滤波装置。此电路被设计成在某一频率下的阻抗, 比电网中的其他电路低的多。此装置的缺点是较易过载, 在过载时会被烧损。另外, 也可能会造成功率因数过补, 而且无源滤波器不能受控。因此, 随着使用时间的增加, 配件老化或电网负载的变动, 会改变谐波振频率, 使滤波效果下降。特别注意的是, 无源滤波器只可以过滤一种谐波成分, 如果过滤不同的频率, 还要分别采用不同的滤波器。

3、有源滤波器组:并联型有源滤波器实质上是一个受控的、快速反应的谐波电流源, 与非线性负荷并联, 从补偿对象中检测出谐波电流, 通过产生与补偿谐波形状一致, 方向相反的电流, 来抵消非线性负荷产生的谐波电流, 起到补偿谐波的作用, 其结果是系统只向负荷提供基波电流。有源滤波器的安装与谐波源越近, 滤波效果越好。

摘要：电网中出现的非正弦波的波形畸变是有电力系统中的非线性设备引起的。目前, 公共电网设备中的主要谐波源, 就其非线性特性而言主要有三大类。谐波基本以3、5、7次为最主要。谐波对于电气设备的危害性很大, 而谐波的治理也基本可以靠调谐滤波电容器组、无源滤波器以及有源滤波器解决。

关键词：谐波产生,谐波危害,并联谐振,谐波治理

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准:《电能质量公用电网谐波 (GB/T14549-93) 》。

[2]王兆安、杨军、刘进军:《谐波抑制和无功功率补偿》, 机械工业出版社。

电力系统谐波与谐波抑制综述 篇8

1 电力系统谐波

1.1 谐波的概念

谐波是一系列的正弦波, 其频率是基波的整数倍。这一系列的正弦波中, 存在无数种频率不同、幅值不同的频率波, 这些正弦波会造成电力系统中的正弦电流以及电力系统电压不对称, 对系统造成非常严重的危害。

1.2 谐波的产生

电力系统向非线性设备以及负荷设备供电时会产生高次谐波。电力系统向这些设备传递和供给基波能量的同时, 也将一部分的基波能量转换为谐波能量, 进而产生高次谐波, 这一系列高次谐波导致电力系统中的电压和电流波严重畸变, 对电力系统的稳定性和安全性造成巨大的影响。

2 谐波对电力系统的危害

电力系统中大量谐波的存在造成了电力系统中电压与电流的不对称, 大大降低了电能的质量, 给电力系统带来了巨大的危害。根据其危害的不同范围, 可以分为两个方面:一是对电力系统设备的危害;二是对电力运行系统的危害。

2.1 对电力系统设备的危害

电力系统中产生的高次谐波可能引起电力系统中多种不良的效应, 比如串联或者并联谐振会造成电压和电流持续过高以及机械谐振等后果, 进而导致电线过热, 绝缘性减弱以及轴扭振等。主要危害有以下几种:

(1) 烧毁电容器和电抗器

在电力系统中, 为了使负载的无功功率达到额定系数, 提高功率因数, 电力企业在安装过程中, 经常会在变电所安装并联的电抗器。另外, 为了降低或抑制谐波, 经常会同时装备电抗器和电容器, 组合在一起成为过滤谐波的滤波器, 在工频频率下能够成功地抑制谐振的产生。但是, 这也会造成谐波频率的系统感抗增加, 容抗降低, 就可能导致产生串并联谐振。而这种谐振会造成谐波电流大大增加, 对电力系统设备造成很大的危害, 甚至会烧毁电容器和电抗器, 在以往的由谐波引发的电力事故中烧毁电容器和电抗器的比例非常高。

(2) 缩短电机寿命

电力系统中产生的谐波可能引起旋转电机和变压器的损耗和过热, 另外, 还可能产生机械共振、噪音以及电压持续过高, 这会造成电机寿命大大缩短, 严重时甚至直接损坏电机。当谐波电流通过变压器时, 会导致铁损耗和铜损耗增加。随着谐波频率的不断增加, 铁损耗也逐步扩大, 同时, 也会引起变压器外部设备、硅钢片以及紧固件的发热, 就可能引起局部过热, 从而影响电机使用寿命, 甚至烧毁电机。

(3) 引起控制系统失控

目前, 电力电子元件以及硅整流器在电力系统中得到了普遍的应用, 几乎存在于系统中的各个装置之中。这些电力电子元件在运行的过程中会产生大量的谐波, 随着电流融入电网。另一方面, 外部畸变会对换流器和整流装置的运行产生巨大的影响, 可能导致整个电力系统失控, 造成晶闸管损坏, 进而严重影响换流装置的性能, 产生不良后果。

(4) 引起程序错乱

在数字电路中, 所有的逻辑组件都有相应的干扰信号容限, 一旦谐波的干扰超过了部件的干扰信号容限, 就会对触发器和储存器造成严重的影响, 可能会破坏其储存的信息, 即使排除谐波干扰, 也会留下相应的痕迹, 系统仍不会恢复到以前的工作状态。同时, 谐波干扰也会破坏微处理器中的系统程序, 造成程序错乱甚至停机。

2.2 对电力系统运行的危害

电力系统谐波对电力系统运行的危害非常大, 主要有以下几个方面:

(1) 对电网的危害

电力系统产生的谐波会通过电流进入电网, 进而在线路上产生有功功率损耗。通常情况下, 谐波电流所占的比例较小, 但是其频率非常高, 而受到导线集肤效应的影响, 谐波产生的电阻远远大于基波电阻, 所以, 谐波造成的线路损耗就比基波产生的损耗高得多。另外, 如果流入电路中断路器的谐波频率过大, 会造成断路器的断开能力减弱, 甚至无法工作, 对电网产生严重的影响和危害。

(2) 对继电保护装置的危害

谐波的存在会造成继电保护装置性能发生很大的改变, 可能导致各类保护装置功能失灵, 无法有效地保护系统。比如对于发电机中的负序电流保护装置, 谐波的存在就会引起负序电流保护装置误动或者不动, 对发电机以及整个电网的安全运行造成巨大威胁。

(3) 对计量系统的危害

高次谐波会造成电能表向负方向的误差增大, 导致实际计量的电能低于实际消耗的电能。在线性负荷中, 基波功率与谐波功率方向一致, 所以, 电能表的计量结果大于基波电能, 但是却小于基波与谐波电能的总和;而在非线性负荷中, 基波功率与谐波功率方向相反, 所以, 电能表的计量结果小于基波电能, 但大于基波与谐波电能的总和。无论哪种情况, 都造成电力系统中计量系统产生误差。

3 谐波抑制技术研究

从我国电力系统来看, 谐波抑制工作已取得了显著的效果, 具体的方法如下。

3.1 增加整流的相数

针对具有整流元件的设备, 可以增加整流相数或者增加整流的脉动数, 从而有效地抑制频率稍低的谐波。当整流相数增加至一倍时, 谐波电流将下降4-5倍, 大大降低了谐波的数量。比如, 当整流相数为6相时, 谐波电流是基波电流的18%, 而当整流相数达到12相时, 谐波电流仅是基波电流的4%。

3.2 安装交流滤波器

在容易产生谐波的设备上, 安装交流滤波器, 可以有效降低连接设备的谐波电压, 从而抑制电力谐波的产生。交流滤波器由不同的元件串联而成, 形成一个串联谐振电路, 利用其阻抗最小的优势, 有效消除高次谐波。在运行中, 谐波器和滤波器之间是并联关系, 不但起到过滤谐波的作用, 也为系统提供无功补偿。

3.3 装设无功补偿装置

电力系统中存在许多变化极快的谐波源, 比如机车、电弧炉、轧钢机等, 这些设备不但会产生大量的谐波, 而且会引起供电电压的不稳定, 甚至造成电力系统中电压的不平衡, 严重影响电能的质量。因此, 在产生谐波的谐波源附近, 装设无功补偿装置, 可以有效减少其产生的谐波的数量, 也可以保持系统电压的稳定和平衡。目前, 这种方法已取得较好的效益, 得到了普遍的应用。

3.4 使用新型的有源电力滤波器

有源电力滤波器是最新研制出的一种谐波滤波器, 与传统的无源滤波器有本质的区别。有源电力滤波器不仅能够吸收固定频率的谐波, 也能对处于动态变化的谐波以及无功进行补偿有源电力滤波器在工作时, 可以从补偿对象中检测出谐波电流并产生一个与之相等但极性相反的补偿电流, 两者互补之后, 电网电流中仅剩下基波分量。有源电力滤波器不仅能对动态变化的谐波进行补偿, 而且在补偿时不会受到电网阻抗的影响, 因此, 在实际应用中得到高度重视, 被广泛使用。

4 结论

总之, 抑制谐波的方法有很多, 各电力系统应根据本地电网的实际情况, 选择适合本地与电力系统的谐波抑制技术和方法。但是综观所有的技术和方法, 有源电力滤波技术综合效果最好, 在未来的发展中一定能得到更加广泛的应用, 会取得更大的成绩。

参考文献

[1]王跃球, 唐杰.有源电力滤波器拓扑结构比较研究[J].船电技术, 2012 (04) .

[2]伍企舜.电力系统谐波对系统设备及负载的影响———《IEEE》电力系统谐波工作小组专题报告[J].电气应用, 2013 (11) .

[3]刘新东.电力系统谐波对电能计量和电气测量的影响 (之二) [J].农村电气化, 2012 (11) .

电网谐波的抑制与治理 篇9

1 电网谐波产生原因分析

用电设备运行时产生谐波在供电系统中所占的比例很大, 是电网中主要的谐波源。

1.1 晶闸管整流装置

大容量整流设备在运行时, 其非线性感性负载整流电路所产生的谐波分量对供电系统污染非常严重, 导致系统电压和功率因数减小, 直接困扰着电网正常运行。

1.2 变频调速设备

变频调速控制系统在运行时其输入电流波形呈尖峰状, 所形成的谐波成分非常复杂, 除了有整数次高次谐波外, 还含有分数次谐波, 使得供电系统的电能特性大大降低。而且这类变频调速装置的功率通常非常大, 随着变频调速设备在供电系统中大量推广使用, 对供电网所造成的谐波污染也会越来越严重。

1.3 日用电器设备

电视机、收录机、高频计算机、节能调光灯具等, 其内部电路中均具有调压整流装置, 在日常使用过程中会产生奇次谐波。办公室内所使用的电风扇、空调等有绕组的设备, 在运行时会所产生得时变不平衡电流也能产生谐波。

2 谐波抑制方法

2.1 主动型谐波抑制

主动型谐波抑制方案实际上就是通过相关优化技术对接入配电网的电气设备本身进行改进, 通过内部电路结构间的相互弥补限制其产生谐波或不产生谐波。较为普遍的主动谐波抑制技术是开发新型变流器:对于小功率电力变换装置而言, 通过对其内部结构的调整使其不产生谐波且功率因数为1, 从而形成具有自动谐波抑制的变流器, 通常称为单位功率因数变流器;对于中小功率电力变换装置而言, 通常采用具有脉宽调制功能的整流电路进行有功功率因数校正, 从而保证供配电网系统平衡。脉宽调制技术已在很多开关电源中得到广泛推广使用;对于大功率电力变换装置而言, 普遍采用多绕组变压器构成多脉整流或将多脉整流与控制移相技术相结合构成准多脉整流装置, 达到抑制谐波的作用。这种技术的缺点在于装置成本较高, 而且其所获得的功能效果不是很明显, 同时将脉宽调制技术运用到供配电系统中, 其自身也会产生高次谐波, 要保证两个非线性矛盾项间的平衡需要进行大量试验, 需要花费大量的人力和物力。

2.2 被动谐波抑制

被动型谐波抑制方案是在电网系统中, 通过外加无功补偿及消谐装置达到谐波抑制的目的。采用电力滤波器可以有效吸收谐波源产生的高次谐波电流, 达到抑制谐波污染、净化供电网用电环境的目的。

2.2.1 无源电力滤波器

无源电力滤波器是传统的供配电系统无功补偿及谐波抑制的主要手段, 是通过在供配电网中并联滤波器滤清除电网中的相关谐波分量, 达到谐波抑制效果。传统的无源电力滤波措施由电力电容器、电抗器和电阻组合而成, 具备无功补偿与谐波抑制相结合的综合功能。但无源滤波器只能按照设计要求进行无功补偿及谐波抑制, 对于时变的非线性负载供配电网而言, 其补偿效果受到很大的限制。

2.2.2 有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种能够弥补传统无源滤波器自调节差、动态响应性能不足方面的一种新型谐波抑制设备, 是一种适合时变复杂大系统的动态谐波抑制和无功实时补偿的一种先进电力电子装置。该类设备的基本原理是从配电网中动态采集补偿对象中相关谐波电流分量, 并通过内部智能控制单元智能分析由补偿电路产生一个与高次谐波电流大小相等且极性相反的谐波补偿电流, 从而使流入用电设备中的电流只含基波分量, 达到谐波抑制、净化电能的目的。SVG无功补偿及消谐装置中的谐波抑制电路就是一种典型的有源电力滤器结构。

3 SVG无功补偿及消谐装置工作原理

SVG装置除了可以进行功率因素补偿同时, 还能在一定程度上实现对高次谐波分量的抑制。SVG可以调节内部晶闸管阀组的导通角来实时调整自换相桥式电路交流侧装置输出电压幅值和相位角间的关系特性, 直接或通过电抗器 (变流器) 与供配电网相连, 通过由晶闸管阀组构成的自换相桥式电路对供配电网进行无功功率的实时补偿。SVG从供电系统中吸收不同性质无功容量 (包括感性无功和容性无功两类) 的工作相量图如图1所示。

当SVG装置内部变流逆变电路具有感性特性时, 装置将不断从供电系统吸收无功容量, 以防止供电系统出现过补偿运行工况, 影响供电质量水平;当变流逆变电路具有容性特性时, SVG装置将不断向供电系统提供无功补偿容量, 以维持整个供电系统的有功和无功间的平衡。同时消谐波功能单元还会通过对应的谐波抑制电路有效过滤电能中的3次、5次、7次等非基波高次谐波分量, 达到降低供电系统线损, 节约电能资源的目的[2]。

4 结语

电网谐波治理是一项长期复杂工作, 必须结合电网负荷类型、负荷率等实际情况, 根据具体情况采取合理的治理方案, 从而有效提高电网供电质量水平, 保障电网安全稳定、节能经济的高效运营发展。

摘要：在对电网谐波产生原因进行归纳总结后, 对电网谐波抑制及治理措施进行了详细分析研究, 最后介绍了SVG动态无功补偿及消谐装置的工作原理和提高电网供电质量水平的功能特性。

关键词：电网谐波,有源谐波,无源滤波

参考文献

[1]吴言凤, 吴正国, 夏立.一种基于自适应滤波的三相有源电力滤波器的检测方法[J].海军工程大学学报, 2002 (1) :54～57.