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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
李传伟
(威海职业学院,山东 威海 264210)
摘 要:
主要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:
TM76 文献标识码:
B
ReasonofProducingHarmonicinElectric
PowerSystemandSuppressingMethod
LIChuan-wei
(WeihaiProfessionalTechnologyInstitute,WeihaiShandong264210,China)
Abstract:
Thispaperanalyzesthereasonsofproducingharmonicinelectricpower,sumsupthesuppressing
methodsinelectricpower.Itintroducesmeansandequipmentinsettlingpollutionofharmonic.
Keywords:
hazardofharmonic;harmonicsuppression;filtering
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=2PöX的非正弦
电压u(Xt),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(Xt)=A
0+Σ
∞
n=1
(A
ncosnXt+bnsinnXt)
式中,频率为nX(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:
iA=
23
PId(sinXt-
1
5sin5Xt-
1
7sin7Xt+
1
11
sin11Xt+
1
13
13Xt-...)
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
56《电气开关》(2008.No.1)
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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
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
0.385.04.02.0
6 104.03.21.6
35 663.02.41.2
1102.01.60.8
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diödt,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AöD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。
《电气开关》(2008.No.1)57
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(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
=Kp±1,则可知脉冲数p增加,n也相应增大,而In≈
I1ön,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Ci(i=1,2,3⋯⋯m),且0≤C1
≤C2≤⋯⋯≤Cm≤Pö2。
假定C0=0,Cm+1=Pö2,在
(0,P)内开关角A=0,C1,C2,⋯⋯,Cm,P-Cm,⋯⋯,P
-C2,P-C1。
PWM波形按傅里叶级数展开,得:
M(t)=Σ
M
k=1
(A
ncosnXt+bnsinnXt)
其中:
An
=0,bn=4önPΣ
M
k=1
(-1)k+1cosnAk
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A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LC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(L1)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,APF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
58《电气开关》(2008.No.1)
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图4 有源滤波器APF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。
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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)
SVPWM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
SVPWM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DSP实现
SVPWM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
SVPWM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SVPWM技术在DCöAC
三相变频器和电机调速领域成为一种更加理想的选
择。
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京:
高等教育出版社,2004.
收稿日期:
2007-11-26
作者简介:
张长军,男,在读硕士研究生,现从事电力电子新技术相关研究。
《电气开关》(2008.No.1)59
©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.__
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