浅谈电力系统谐波控制

2022-11-08

谐波存在于电力系统已经很多年了,但是近年来这个问题同时出现的两种趋而变比更加重要。这两种趋势为:电力公司改善功率因数而大量增加电容器组;工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变压器。

1 谐波的影响

电力公司由于高功率因数运行可以降低设备所需的额定值以及线路损耗和电压降;从而减少对电压调节设备的需求。然而,电力公司的上述要求是与工业界大量增加使用变速传动和电力电子设备相并行。

谐波源:(1)传统非线性设备包括变压器、旋转电机。(2)现代电力电子非线性设备包括办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电压、晶闸管控制设备等。

其中晶闸管控制设备包括整流器、逆变器、变频器等,如矿井提升绞车变频控制;主扇变频器中的GCT的应用。这些设备与功率因数校正电容器组相互作用导致了电压和电流的放大效应。

由于谐波的存在以前被诊断为过流、过压、欠压或其它不正常情况,都是基于此产生存在的,如:(1)监控、试验、传感等灵敏仪器的元件故障,计算计死机,由于电容器组投切扰动引起。(2)精准电动机不能可靠地工作。分机显示问题由于电动机控制器中的电路对谐波畸变敏感引起,谐波是畸变周期波形分量,他们的整数倍。

2 谐波的基本原理

基波为正弦波形因不包含谐波,从而能够减少铁损并提高效率。更进一步,电机变压器和电气设备假定正弦基流供电时,则更简化计算。然而,实际上是不可能实现的。一个畸变的波形是有不同频率的正弦波形组成的,即一个基本波形下的基波波形加上一系列的频率为基本频率整数倍的谐波分量。

谐波通过傅里叶级数分解能够对畸变波形的各种分量进行分析检查。一般来讲,任何波形都可展为傅里叶级数,即。

式中f(t)为一个频率为f0的周期函数,角频率ω0=2πf0;周期T=1/f0=2π/ω0;

C1sin(ω0t+φ1)为基波分量;

Chsin(hω0t+φh)为第h次谐波,幅值为Ch,频率为hf0,相位为φh。

3 电力系统谐波的特性

3.1 对称性

(1)奇对称性的特点是f(-t)=-f(t),展开傅里叶级数时,没有余弦项。

(2)偶对称性的特点是f(-t)=f(t),展开傅里叶级数时,没有正弦量,只有余弦量。

(3)半波对称的特点是f(t±T/2)=-f(t),没有直流分量且偶次谐波被抵消。这一特点使我们可以忽略电力系统中的偶次谐波,因为电力系统是由双向对称的元件组成的,这些元件产生电压和电流具有半波对称性。

3.2 相序性

在三相平衡系统中,单频率谐波分量是完全正序的或完全负序或完全零序的由相电压傅里叶级数展开式中可看出:

相电压的总有效值为:

若为星形联结,则:

这表明在线电压中3信数次谐波消失了。因此,线电压有效值为:

所以:(1)基波以及4、7次……谐波为正序。

(2)2、5、8……谐波为负序。

(3)3信次谐波为零序。

进一步推得:(1)如果存在谐波即使系统平衡也存在零序和负序电流。

(2)由于平衡的3信数次谐波电流是零序的,因此不能流入三角型式,不接地星形联结电路中。

4 谐波的抑制方法

4.1 变流器中的相位抵消或谐波控制

通过选择合适的相位移动,由低脉波数变流器构成的高脉波数变流器可以消除谐波,谐波在两个相位移动为0°和-30°的并联或串联运行的6脉波变波器中被消除。这说明,一个12脉波变流器比相当容量的两个6脉波变流器有较低谐波影响。

4.2 组合滤波器

组合滤波器是产生与它所测到畸变波电流相位相反的一组谐波电流,谐波从而被抵消并最终形成一个无畸变的正弦电流,针对测试投入了3、5、7、10、11次滤波器,通过增加串联电抗器和电阻器,电容器进一步用来滤除特定次谐波。

4.3 电力设备的影响

4.3.1 旋转电机(排水泵)

影响:(1)铜耗和铁耗增加导致发热。

(2)电谐波产生磁场与基波磁场相互作用,相互作用而产生的脉动转矩。这些脉动转矩造成了更大的可闻噪声。

定子中的正序hf次谐波电流产生的磁场相对于静止空间以频率hff0正向旋转,或相对转子磁场以频率(hf-1)f0正向旋转,转子中将感应出一个脉动磁场,可以分解成频率(hf-1)f0向前和向后旋转的两个分量(即相对于定子分别以频率hff0和(hf-2)f0旋转,同样定子中的负序hb次谐波电流产生的磁场相对于静止空间以频率hbf0反向旋转,或相对于转子磁场以频率(hb+1)f0反向旋转。转子中将感应出一个脉动磁场,可被看作为两个沿相反方向旋转的磁场。正向分量的空间频率为(hb+1)f0,(即相对于定子频率为)(hb+2)f0),反向分量的空间频率也是(hb+1)f0(即相对于定子频率为hff0)这意味着任何情况下都会产生附加谐波。

交流三相电动机电势为:

由Eh=4.44fhNФhRωh=4.44f0NHhФ1Rωh

Eh为每相感应电动势第h次谐波有效值;

fh为第h次谐波频率;

Фh为每相第h次谐波的磁通;

Hh为第h次谐波磁通密度标幺值;

h为谐波次数;

Rωh为第h次谐波频率下的绕组因数;

显然尽管分布和短距绕组使感应电动势的基波分量减少了,但是与抑制谐波的目的相比,这个负面效应并不大,因为分布和短距绕组在减少谐波电压方面具有优势。

Rph为第h次谐波下节距系数;

Rp1为基频下的节距系数;

β为以电角度为单位的线圈节距,β=sq;