电力系统谐波产生原因及其抑制方法

文章编号: 1004- 289X (2008) 01- 0056- 04 电力系统谐波产生原因及其抑制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 李传伟 (威海职业学院, 山东　威海　264210) 摘　要: 主要 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了电力系统谐波产生的原因及危害, 归纳总结了目前电力系统中进行谐波抑制常用的方法, 介 绍了各种解决谐波污染的手段及所使用的设备。 关键词: 谐波危害; 谐波抑制; 滤波 中图分类号: TM 76　　　　　文献标识码: B R eason of P roducing H arm on ic in E lect r ic Pow er System and Supp ressing M ethod L I Chuan- w ei (W eihai P rofessional T echno logy In st itu te,W eihai Shandong 264210, Ch ina) A b st ract: T h is paper analyzes the reason s of p roducing harmon ic in electric pow er, sum s up the supp ressing m ethods in electric pow er. It in t roduces m ean s and equ ipm en t in set t ling po llu t ion of harmon ic. Key w o rds: hazard of harmon ic; harmon ic supp ression; f iltering 1　前言 在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变 换电路形态, 为用户提供高效使用电能的手段。但是, 电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日 趋严重, 影响了供电质量。电力系统受到谐波污染后, 轻则影响系统的运行效率, 重则损坏设备以至危害电 力系统的安全运行。目前谐波与电磁干扰、功率因子降 低已并列为电力系统的三大公害。因此, 研究和分析谐 波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实 际意义。 2　谐波产生的原因 所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量, 其 频率为基波频率的整数倍。周期为T = 2ΠöΞ的非正弦 电压 u (Ξt) , 在满足狄里赫利条件下, 可分解为如下形 式的傅里叶级数: u (Ξt) = Α0+ ∑∞ n = 1 (Αnco snΞt+ bn sinnΞt) 式中, 频率为 nΞ (n= 2, 3⋯) 的项即为谐波项, 通 常也称之为高次谐波。在供电系统中谐波的发生主要 有两大因素: (1)可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用, 晶 闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负 荷的增加导致波形畸变。 (2)设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定 情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争, 对电 工设备倾向于采用在临界情况下的设计。图1 为三相 六脉动整流装置原理接线图, 此时交流侧电流的傅里 叶级数展开式为: iΑ= 2 3Π I d ( sinΞt - 15 sin5Ξt - 17 sin7Ξt + 111 sin11Ξt+ 11313Ξt- . . . ) 图 1　三相整流装置原理接线图 可见交流侧电流含有谐波, 谐波次数为 (6K±1) 次, 各次谐波含有率为 1 n 。 应该注意, 电力系统所指的谐波是稳态的工频整 数倍数的波形, 电网瞬时变化诸如涌流、各种干扰或故 65 《电气开关》(2008. N o. 1) © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 障引起的过压、欠压均不属谐波范畴; 谐波与不是工频 整倍数的次谐波 (频率低于工频基波频率的分量)和分 数谐波 (频率非基波频率整倍数的分数)有定义上的区 别。 3　谐波 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 目前大多数现代电力设备是谐波电流的来源。这 些电流进入供电系统后将造成电压谐波, 影响到连接 在同一母线的其他负荷或连接同一电源的临近装置。 因此, 国家规定谐波造成电网电压波形畸变率极限和 用户注入电网的谐波电流允许值应满足国家标准。 表 1　公用电网谐波电压极限值 电网标称 电压 (kV ) 电压总谐波 畸变率 (% ) 各次谐波电压含有率 (% ) 　奇次　　　偶次　 0. 38 5. 0 4. 0 2. 0 6　　10 4. 0 3. 2 1. 6 35　　66 3. 0 2. 4 1. 2 110 2. 0 1. 6 0. 8 4　谐波对电力系统的危害 谐波对电力系统的污染日益严重, 谐波源的注入 使电网谐波电流、谐波电压增加, 其危害波及全网, 对 各种电气设备有不同程度的影响和危害。主要表现在: (1)谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电 机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪 声; 对断路器, 当电流波形过零点时, 由于谐波的存在 可能造成高的 d iöd t, 将使开断困难, 并且延长故障电 流的切除时间。 (2)谐波对供电线路产生了附加损耗。架空线路谐 波电流产生热损, 较大的高次谐波电流分量能显著地 延缓潜供电流的熄灭, 导致单相重合闸失败。电缆中的 谐波电流会产生热损, 使电缆介损、温升增大。由于集 肤效应和邻近效应, 使线路电阻随频率增加而提高, 造 成电能的浪费; 由于中性线正常时流过电流很小, 故其 导线较细, 当大量的三次谐波流过中性线时, 会使导线 过热, 损害绝缘, 引起短路甚至火灾。 (3)使电网中的电容器产生谐振。工频下, 系统装 设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多, 不 会产生谐振, 但谐波频率时, 感抗值成倍增加而容抗值 成倍减少, 这就有可能出现谐振, 谐振将放大谐波电 流, 由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗, 加快电力 电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引 起过电压和过电流, 对电气设备绝缘损坏, 引起噪音与 振动, 导致电容器等设备被烧毁。 (4)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰 和造成误动作, 造成电能计量的误差。 (5)电子计算机由于谐波干扰发生失真, 工业电子 设备功能会因其被破坏。 谐波对其他系统及电力用户危害也很大, 如对附 近的通信系统产生干扰, 轻者出现噪声, 降低通信质 量, 重者丢失信息, 使通信系统无法正常工作, 影响电 子设备工作精度, 使精密机械加工的产品质量降低; 设 备寿命缩短、家用电器工况变坏等。 5　谐波的测量方法 为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流, 首先 必须对含有的谐波成分有精确的认识, 因而需要实时 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 负载电流中的谐波分量。现有的谐波电流检测和 分析方法主要基于以下几种原理: (1)带阻滤波法 这是一种最为简单的谐波电流检测方法, 其基本 原理是设计一个低阻滤波器, 将基波分量滤除, 从而获 得总的谐波电流量。这种方法过于简单, 精度很低, 不 能满足谐波分析的需要, 一般不用。 (2)带通选频法和FFT 变换法 带通选频方法采用多个窄带滤波器, 逐次选出各 次谐波分量, 基本原理如图2 所示。 图 2　带通选频测量谐波　图 3　单调和双调滤波器 利用 FFT 变换来检测电力谐波是一种以数字信 号处理为基础的测量方法, 其基本过程是对待测信号 (电压或电流) 进行采样, 经A öD 转换, 再用计算机进 行傅里叶变换, 得到各次谐波的幅值和相位系数。 (3)瞬时空间向量法 利用瞬时无功功率理论, 即“p - q”理论, 对电力谐 波量进行测量。也就是将基波分量与总电流相减即得 相应的谐波电流, 不过此方法忽略了零序分量, 且对于 不对称系统, 瞬时无功的平均分量不等于三相的平均 无功。所以, 此方法只适用于三相电压正弦、对称情况 下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。 75《电气开关》(2008. N o. 1) © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (4)自适应检测法 该方法基于自适应干扰抵消原理, 将电压作为参 考输入, 负载电流作为原始输入, 从负载电流中消去与 电压波形相同的有功分量, 得到需要补偿的谐波与无 功分量。该方法的特点是在电压波形畸变情况下也具 有较好的自适应能力, 缺点是动态响应速度较慢。 (5)小波变换检测法 对谐波电流进行动态抑制时, 不必分解出各次谐 波分量, 只需检测出除基波电流外的总畸变电流, 但对 出现谐波的时间问题, 傅里叶变换就无能为力。小波变 换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域 完全无局部性的缺点, 即它在时域和频域同时具有局 部性, 因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得 所对应的时间信息。 从以上检测方法看, 基于瞬时无功功率理论的瞬 时空间向量法简单易行, 性能良好, 并已趋于完善和成 熟, 今后仍将占主导地位。基于神经元的自适应谐波电 流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测方法也将 有更大的发展。 6　电力系统抑制谐波的措施 在电力系统中, 对谐波的抑制就是如何减少或消 除注入系统的谐波电流, 以便把谐波电压控制在限定 值之内, 抑制谐波电流主要有三方面措施。 6. 1　降低谐波源的谐波含量 在谐波源上采取措施, 最大限度地避免谐波的产 生。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: (1)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 = K p±1, 则可知脉冲数p 增加, n 也相应增大, 而 In≈ I 1ön , 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。如: 整流相数为6 相时, 5 次谐波电 流为基波电流的 18. 5% , 7 次谐波电流为基波电流的 12% ; 如果将整流相数增加到12 相, 则5 次谐波电流可 下降到基波电流的4. 5% , 7 次谐波电流下降到基波电 流的3%。 (2)脉宽调制法 采用PWM , 在所需的频率周期内, 将直流电压调 制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑 制谐波的目的。在PWM 逆变器中, 输出波形是周期性 的, 且每半波和 1ö4 波都是对称的, 幅值为±1, 令第 1 个1ö4 周期中开关角为Χi ( i= 1, 2, 3⋯⋯m ) , 且 0≤Χ1 ≤Χ2≤⋯⋯≤Χm ≤Πö2。假定Χ0= 0, Χm + 1= Πö2, 在 (0, Π) 内开关角Α= 0, Χ1, Χ2, ⋯⋯, Χm , Π- Χm , ⋯⋯, Π - Χ2, Π- Χ1。PWM 波形按傅里叶级数展开, 得:Μ( t) = ∑M k = 1 (Αnco snΞt+ bn sinnΞt) 其中:Αn= 0, bn= 4önΠ∑M k = 1 ( - 1) k+ 1co snΑk 由式可知, 若要消除n 次谐波, 只需令bn= 0, 得到 的解即为消除n 次谐波的开关角Α值。 (3)三相整流变压器采用Yö∃ 或∃öY 的接线 当两台以上整流变压器由同一段母线供电时, 可 将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y 型和△形, 这就可使 5 次、7 次谐波相互抵消, 而只需考虑 11 次、 13 次谐波的影响, 由于频次高, 波幅值小, 所以危害性 减小。这种接线也可消除3 的倍数次的高次谐波, 这是 抑制高次谐波的最基本的方法。 6. 2　利用滤波器进行滤波 6. 2. 1 采用无源滤波器滤波 无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧, 由R、 L、C 组件构成谐振回路, 当L C 回路的谐振频率和某 一高次谐波电流频率相同时, 即可阻止该次谐波流入 电网, 如图3 所示最常用的单调和双调滤波器。由于投 资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点, 无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手 段。但无源滤波器存在着许多缺点, 如滤波易受系统参 数的影响; 对某些次谐波有放大的可能; 耗费多、体积 大等。因而随着电力电子技术的不断发展, 人们将滤波 研究方向逐步转向有源滤波器。单调谐滤波器通频带 窄, 滤波效果好, 损耗小, 调谐容易, 是使用最多的一种 类型; 双调谐滤波器可代替两个单调谐滤波器, 只有一 个电抗器 (L 1) 承受全部冲击电压, 但接线复杂, 调谐 困难, 仅在超高压系统中使用。 6. 2. 2　采用有源滤波器滤波 利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐 波电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电 流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的, 原理见图4。 与无源滤波器相比,A PF 具有高度可控性和快速 响应性, 能补偿各次谐波, 可抑制闪变、补偿无功, 有一 机多能的特点; 在性价比上较为合理; 滤波特性不受系 统阻抗的影响, 可消除与系统阻抗发生谐振的危险; 具 有自适应功能, 可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在 国外高低压有源滤波技术已应用到实践, 而我国还仅 85 《电气开关》(2008. N o. 1) © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4　有源滤波器A PF 原理图 应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高, 有源 滤波技术作为改善电能质量的关键技术, 其应用范围 也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电 能质量的方向发展。 6. 2. 3　防止并联电容器组对谐波的放大 在电网中并联电容器组起改善功率因子和调节电 压的作用。当谐波存在时, 在一定的参数下电容器组会 对谐波起放大作用, 危及电容器本身和附近电气设备 的安全。可采取串联电抗器, 或将电容器组的某些支路 改为滤波器, 还可以采取限定电容器组的投入容量, 避 免电容器对谐波的放大。 6. 2. 4　加装静止无功补偿装置 快速变化的谐波源, 如: 电弧炉、电力机车和卷扬 机等, 除了产生谐波外, 往往还会引起供电电压的波动 和闪变, 有的还会造成系统电压三相不平衡, 严重影响 公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功 补偿装置, 可有效减小波动的谐波量, 同时, 可以抑制 电压波动、电压闪变、三相不平衡, 还可补偿功率因子。 6. 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。 7　小结 随着我国电能质量治理工作的深入开展, 谐波的 发生、管理与测量, 综合动态的谐波治理措施, 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。 要消除谐波污染, 除在电力系统中大力发展高效的滤 波措施外, 在设计、制造和使用非线性负载时, 也要采 取有力的抑制谐波的措施, 减小谐波侵入电网, 从而真 正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。 参考文献 [ 1 ]　熊一权. 电力系统的谐波污染及对策[J ]. 黑龙江电力. 2001, 4. [ 2 ]　石新春, 霍利民. 电力电子技术与谐波抑制[J ]. 华北电力大学学 报. 2002. [ 3 ]　吴国沛, 刘育权, 任震. 电力系统谐波对继电保护的影响[J ]. 电力 自动化设备. 2002, 7. 收稿日期: 2007- 03- 19 作者简介: 李传伟 (1969. 3- ) , 男, 电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 硕士, 副教授, 从事于电气工程的开发 与教学, 已发表专业论文22 篇。研究方向: 电气自动控制. (上接第27 页) SV PWM 新算法直流电压利用率高的特点, 而三相逆 变电路采用SPWM 控制方法的直流电压利用率小于 等于0. 612 [6 ]。 另外, 如果把三相负载换为永磁同步电机, 则稳定 后电压波形类似, 定子电流为三相正弦, 转速稳定, 很 适合于电机调速。 6　结论 本文从仿真角度在带三相负载情况下验证了 SV PWM 新算法的正确性和有效性, 得到了较为理想 的结果。可以看出, 新算法较传统算法计算量大为减 少, 也更易于编程实现, 对于更好的利用D SP 实现 SV PWM 控制, 减少工作量, 提高运算精度和系统性 能有着重要的作用。通过算法的改进, 不仅使得 SV PWM 技术保持了原来的优点, 如模型简单, 物理 概念清晰, 易于数字化实现, 电压利用率高等, 而且改 正了其运算量大的缺点, 使 SV PWM 技术在DCöA C 三相变频器和电机调速领域成为一种更加理想的选 择。 参考文献 [ 1 ]　张琦, 田永洙, 张晓冬. SV PWM 在变频调速系统中的应用及其 D SP 实现[J ]. 电气技术, 2007, 2: 74- 78. [ 2 ]　李波, 安群涛, 孙兵成. 空间矢量脉宽调制的仿真研究及其实现 [J ]. 电机与控制应用, 2006, 33 (6) : 40- 44. [ 3 ]　方俊初, 凌有铸. SV PWM 调制异步电机矢量控制系统的原理与 仿真[J ]. 自动化技术与应用, 2006, 25 (9) 54- 56. [ 4 ]　段泉圣, 刘利超, 申芳. SV PWM 在D SP 上的软件实现[J ]. 现代电 力, 2007, 24 (1) 58- 62. 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