電力系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生的原因

1、電力系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生的原因電網(wǎng)諧波來(lái)自于3個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他 一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性， 加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化 電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。 鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電 流可達(dá)額定電流0.5%。三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧

2、波：晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等許多 方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用 移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波， 從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整 流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá) 基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如 果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電 流；如果是12脈沖整流器，也還

3、有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置 產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、 水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含 有分?jǐn)?shù)次諧波，這類(lèi)裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái) 越多。電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使 得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電 網(wǎng)。其中主要是2 7次的諧波，平均可達(dá)基波的8% 20%，最大可達(dá)45%。氣體放電類(lèi)電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬

4、于氣體放電類(lèi)電 光源。分析與測(cè)量這類(lèi)電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特 性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。家用電器。電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓 整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備 中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量 巨大，也是諧波的主要來(lái)源之一。供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理在供電系統(tǒng)中，為了節(jié)能降損、提高電壓質(zhì)量和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，經(jīng)常采用各種無(wú) 功補(bǔ)償裝置。近年來(lái)，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、各種電力電子設(shè)備以及電氣化鐵路大量應(yīng)用。這些負(fù)荷大都具有非線性、

5、沖擊性和不平衡性的特點(diǎn)，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生 大量諧波。這些諧波對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置造成了嚴(yán)重影響。在供電系統(tǒng)中，對(duì)于某次諧波，作為 無(wú)功補(bǔ)償用的并聯(lián)電容器若與呈感性的系統(tǒng)電抗發(fā)生諧振，則會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓而造成危害。當(dāng) 無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行地點(diǎn)的諧波比較嚴(yán)重時(shí)，電壓、電流波形會(huì)有很大畸變，電容器投切控制 信號(hào)的傳輸就會(huì)受到影響，從而有可能引起裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)。另一方面，并聯(lián)電容器對(duì)電 網(wǎng)諧波的影響也很大。若電容器容抗和系統(tǒng)感抗配合不恰當(dāng)?熏將會(huì)造成電網(wǎng)諧波電壓和電 流的嚴(yán)重放大?熏給電容器本身帶來(lái)極大損傷?？梢?jiàn)，無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理兩者關(guān)系密切。 產(chǎn)生諧波的裝置大都是消耗基波無(wú)功功率的裝置；治理諧波的裝置通常也是補(bǔ)

6、償無(wú)功的裝 置。因此，為了尋求能同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的裝置，就必須將二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研 究。2電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置中的諧波問(wèn)題諧波源有兩種一種是諧波電流源，這些用電設(shè)備中的諧波含量取決于它自身的特性和工作 狀況。基本上與供電系統(tǒng)參數(shù)無(wú)關(guān)。另外一種是諧波電壓源。發(fā)電機(jī)在發(fā)出基波電勢(shì)的同時(shí)， 也會(huì)有諧波電勢(shì)產(chǎn)生，其諧波電勢(shì)大小主要取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作狀況。實(shí)際上， 在電網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)和變壓器等電力設(shè)備輸出的諧波電勢(shì)分量很小，幾乎可以忽略。因此， 在供電系統(tǒng)中存在并實(shí)際發(fā)生作用的諧波源主要是諧波電流源。在用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓╇娤到y(tǒng)中電網(wǎng)以感抗為主，電容器支路以容抗為主。在 工頻

7、條件下，并聯(lián)電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多可發(fā)出無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。 但在有諧波背景的系統(tǒng)中大量的非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，對(duì)這些諧波頻 率而言電網(wǎng)感抗顯著增加而補(bǔ)償系統(tǒng)容抗顯著減小導(dǎo)致諧波電流大部分流入電容器支路，若 此時(shí)電容器的運(yùn)行電流超過(guò)其額定電流的1.3倍，電容器將會(huì)因過(guò)流而產(chǎn)生故障。另外， 針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的調(diào)諧頻率，如果電網(wǎng)中存在該特定頻率的諧波電流源，則該諧波將直接 被放大嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流明顯地高于在 無(wú)諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。2.1諧波與并聯(lián)諧振當(dāng)電網(wǎng)中的諧波主要由非線性用電負(fù)荷產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)的諧波源可

8、看作一個(gè)很大的電流源， 其產(chǎn)生的諧波電流加在系統(tǒng)感抗和電容器的容抗之間，形成并聯(lián)回路（如圖1所示）。由圖可見(jiàn)，流入電容器支路的n次諧波電流為:由式（1）可看出：當(dāng)電網(wǎng)阻抗和電容器阻抗相等時(shí)，即：時(shí)，將形成并聯(lián)諧振。此時(shí)， 即使系統(tǒng)中的n次諧波電流不大，流入電容器的n次諧波電流也將會(huì)很大（理論上為無(wú)窮大， 實(shí)際上由于存在電阻諧波電流為一很大的有限值），被放大的諧波電流流經(jīng)電容器時(shí)可導(dǎo)致 其內(nèi)部組件過(guò)熱而出現(xiàn)故障。2.2諧波與串聯(lián)諧振當(dāng)上一級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形嚴(yán)重畸變時(shí)此時(shí)的諧波源相當(dāng)于一個(gè)很大的電壓源。諧波 電壓將在變壓器的感抗和電容器的容抗間形成串聯(lián)回路（如圖2所示）。當(dāng)感抗和容抗相等 時(shí)？熏將

9、形成串聯(lián)諧振。此時(shí)諧波電壓將在串聯(lián)回路上形成強(qiáng)大的電流直接流經(jīng)補(bǔ)償電容器 使電容器因過(guò)流而迅速故障。由以上分析可見(jiàn)在有諧波背景的供電系統(tǒng)中單獨(dú)使用電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)若發(fā)生并 聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振大部分諧波電流將流入電容器組中而導(dǎo)致其迅速產(chǎn)生故障。為了避免上述 情況的發(fā)生就必須尋求新的能同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的裝置。3能同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理的裝置3.1無(wú)源濾波器在有諧波背景的電網(wǎng)中，為了濾除諧波，就要為諧波提供一條釋放路徑即保留基波而 使諧波短路也就是使諧波通過(guò)濾波器直接流回諧波源而不注入系統(tǒng)。為此，可采用一種LC 無(wú)源濾波器，常用的是單調(diào)諧濾波器，它由適當(dāng)數(shù)值的電容、電感和電阻組合而成

10、（如圖3 a所示）。通過(guò)設(shè)置參數(shù)，使得在需要濾除的諧波頻率上裝置的感抗和容抗相等而抵消?熏 即在調(diào)諧頻率上濾波器呈現(xiàn)低阻抗，這樣該頻次諧波就可順利通過(guò)濾波器并返回諧波源，從 而達(dá)到濾除諧波的目的。而對(duì)于非調(diào)諧的基波和其它次諧波濾波器則呈現(xiàn)高阻抗，帶來(lái)的影 響很小。除了上述針對(duì)某次諧波頻率而設(shè)置的濾波器外常用的還有一種高通濾波器如圖3 b 所示，它對(duì)于某一頻率以后的所有頻率都呈現(xiàn)低阻抗，可濾除多種高次諧波。在實(shí)際工程應(yīng) 用中，根據(jù)供電系統(tǒng)中諧波的組成成份往往設(shè)置兩組LC濾波器，一組為單調(diào)諧濾波器用來(lái) 濾除含量較大的某次諧波；另一組為高通濾波器可對(duì)高次諧波實(shí)現(xiàn)減幅。上述調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，

11、就是在原來(lái)并聯(lián)電容器的支路上串接一個(gè)適當(dāng)大 小的電抗器。此時(shí)，整個(gè)補(bǔ)償電容器支路對(duì)諧波源基波仍呈容性保持其無(wú)功補(bǔ)償作用不變。 而對(duì)高次諧波補(bǔ)償支路則呈感性避免了與系統(tǒng)形成電流諧振消除或減小了由于補(bǔ)償電容所 引起的諧波電流放大現(xiàn)象。如何選擇電抗器的大小呢？目前我國(guó)并聯(lián)電容器配置電抗器的電 抗率K（K = XK/XC，XK為電抗器的基波感抗XC為電容器的基波容抗）主要有4種： 0.5%，4.5%，6%12%。配置KV0.5%電抗器的主要目的是限制電容器 的合閘涌流；當(dāng)采用電抗率為4. 5%或6%的串聯(lián)電抗器時(shí)，可抑制5次以上的諧波電流； 當(dāng)采用電抗率為12%的串聯(lián)電抗器時(shí)，可抑制3次以上的諧波電流

12、。另外需注意，上述裝置對(duì)諧振頻率要求非常嚴(yán)格。若諧振點(diǎn)漂移，將有可能放大諧波 電流，因此必須保證電抗器和電容器的數(shù)值不能因溫度、環(huán)境等因素而發(fā)生變化。為滿足此 要求，濾波電抗器應(yīng)采用電抗值可調(diào)的空芯或鐵芯電抗器制造精度要求為正誤差。對(duì)于電容 器，最好選用制造精度為正誤差具有防爆、損耗低、放電特性好等特點(diǎn)的諧波濾波電容器。 在確定其額定電壓等級(jí)時(shí)，需考慮串聯(lián)電抗器產(chǎn)生的電壓降及諧波電壓的影響，一般應(yīng)選擇 高于系統(tǒng)電壓。另外，在系統(tǒng)運(yùn)行中，電容器組經(jīng)常需要分組投切，此時(shí)就要根據(jù)補(bǔ)償容量 和諧波要求來(lái)解決各組間的配合問(wèn)題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，用晶閘管實(shí)現(xiàn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置因其優(yōu)良的性能而被廣 泛

13、應(yīng)用。例如，有一種兼有諧波治理功能的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置叫做晶閘管投切電容器T SC（Thyristor Switched Capacitor ）這種裝置性能良好， 被很多場(chǎng)合采用，但線路組成比較復(fù)雜，故障點(diǎn)多，維護(hù)量相對(duì)較大。另外還有一種典型的 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波裝置為固定電容器+晶閘管相控電抗器FC+TCRFixe d Capacit+ThyristorControlledReactor。該裝 置根據(jù)局部電網(wǎng)最低功率因數(shù)設(shè)置固定電容器根據(jù)諧波的階次，由電抗器串聯(lián)固定電容器組 成LC諧波吸收回路，根據(jù)電網(wǎng)功率因數(shù)變化量來(lái)調(diào)節(jié)相控電抗器的大小實(shí)現(xiàn)局部電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。相對(duì)TSC來(lái)說(shuō)，

14、該裝置線路簡(jiǎn)單故障率低運(yùn)行也較穩(wěn)定，值得推廣。近來(lái)又開(kāi)發(fā)出一種新型無(wú)功補(bǔ)償兼諧波治理裝置一一晶閘管投切濾波器TSFThy ristor SwitchedFilters。它兼有傳統(tǒng)TSC和電力濾波器的優(yōu) 點(diǎn)，并且可抑制因負(fù)載變動(dòng)而引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)。在基波頻率下，TSF的基波阻抗呈容 性，可向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率，并且其大小可通過(guò)晶閘管進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于系統(tǒng)中常見(jiàn)的主要的 諧波，可接近諧振并呈現(xiàn)很低的阻抗，使諧波電流流入濾波器，從而可同時(shí)達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償和 濾除諧波的目的。由于系統(tǒng)中存在的諧波電流通常有多個(gè)頻率，若采用單調(diào)諧濾波器來(lái)濾除 諧波，則需安裝多個(gè)濾波器。此時(shí)需注意，在投切濾波器時(shí)，必須從低次向高次

15、逐次投入， 而在切除時(shí)則必須從高次向低次依次切除。否則，不僅不能達(dá)到抑制諧波電流的作用，反而 會(huì)將其放大。研究表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的方法?熏具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)因此被廣泛采用。但是無(wú)源濾波器的濾波性能受系統(tǒng)和負(fù)載 參數(shù)的影響較大，易于與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大從而使濾波器過(guò)載甚至燒毀，另 外它只能消除特定次的諧波，動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，無(wú)功補(bǔ)償效果也不是很理想。為此，急需 開(kāi)發(fā)出新的裝置來(lái)彌補(bǔ)上述缺陷。3.2有源濾波器目前在無(wú)功補(bǔ)償裝置中進(jìn)行諧波治理的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源濾波器AP

16、FAct ive Power Filter。它通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)的電壓電流經(jīng)運(yùn)算處理后得到補(bǔ)償 控制指令控制主電路產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流，此電流與所要濾除諧波電流的幅值大小相等相位相 差18 0。從而可以相互抵消使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化 的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響可消除與系統(tǒng)阻抗或負(fù)載發(fā)生諧振的危 險(xiǎn)。另外，此裝置不僅能補(bǔ)償無(wú)功和各次諧波還可抑制閃變，具有高度可控性和快速響應(yīng)性。 它是當(dāng)前無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理領(lǐng)域重要的研究發(fā)展方向。這里介紹一種采用有源濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的方案，適合在諧波嚴(yán)重的工 況下使用。此方案其實(shí)就是在原來(lái)FC + TCR的

17、基礎(chǔ)上，增加一有源濾波器。具體實(shí)現(xiàn)方 法為，將一變壓器的原邊串聯(lián)接在電力系統(tǒng)和諧波源之間，副邊接有源濾波器的輸出部分。 設(shè)計(jì)的初衷是，希望基波電流可以從變壓器的原邊流過(guò)，而諧波電流被隔離，無(wú)功補(bǔ)償裝置 中的電容器和電抗器串聯(lián)的支路為被隔離起來(lái)的諧波提供通路，從而達(dá)到濾除諧波的目的。 根據(jù)變壓器的工作原理，要滿足上述要求，就需要檢測(cè)變壓器原邊電流中的基波分量，然后 采用有源逆變的方法跟蹤此基波分量，并將此基波分量注入變壓器的副邊，從而補(bǔ)償變壓器 原邊基波電流所產(chǎn)生的基波磁通，使得變壓器對(duì)原邊基波電流呈現(xiàn)低阻抗，而對(duì)于原邊諧波 電流呈現(xiàn)高阻抗?？梢?jiàn)，為了在變壓器的副邊產(chǎn)生一個(gè)與原邊基波電流大小成比

18、例、方向相 反的電流，就必須準(zhǔn)確地從電網(wǎng)電流中檢測(cè)出基波電流，即需要有基波電流檢測(cè)部分，這也 是此有源濾波器的關(guān)鍵部分。另外此裝置還要有功率放大部分，它由滯環(huán)控制、PWM驅(qū)動(dòng) 和逆變器組成，將檢測(cè)到的原邊基波電流經(jīng)轉(zhuǎn)換作為給定信號(hào)采用滯環(huán)電流控制使其能夠跟 蹤原邊基波電流。從以上分析可見(jiàn)，該方案只需檢測(cè)、跟蹤基波電流，補(bǔ)償基波磁通，性能 比較穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，易于在工程中實(shí)現(xiàn)。從本質(zhì)上講，APF可看作一個(gè)大容量的諧波電流發(fā)生裝置。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中的畸變波 形實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，可使任意頻率、任意幅值和相位的諧波都能被濾除，并使無(wú)功功率得到完 全補(bǔ)償。其中，如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)無(wú)功電流和諧波電流，并將

19、此信號(hào)作為有源濾波的控制 信號(hào)，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的關(guān)鍵問(wèn)題。為了使濾波器有較好的信號(hào)跟蹤效果， 有人提出運(yùn)用自適應(yīng)預(yù)測(cè)原理，實(shí)驗(yàn)證明，該方法效果顯著，可達(dá)到預(yù)期目的。有源濾波器在我國(guó)已開(kāi)始掛網(wǎng)運(yùn)行但還需要解決一些問(wèn)題。比如：在大容量應(yīng)用中有 源濾波器逆變器的容量如何最小化；有源濾波器在負(fù)載動(dòng)態(tài)過(guò)程條件下如何實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)；在嚴(yán)重畸變的不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)及負(fù)載下如何提高適應(yīng)性等?，F(xiàn)階段有源濾波器研究和應(yīng)用的 一個(gè)顯著特征是混合型有源濾波器，即將有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合。有源部分相當(dāng)于 一個(gè)諧波隔離器?熏既能阻止負(fù)載的諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)？熏又能防止電網(wǎng)的諧波電壓影響負(fù) 載，而電網(wǎng)公共連接點(diǎn)上

20、其它負(fù)荷的諧波電流則流入無(wú)源濾波器。這樣可以同時(shí)發(fā)揮兩者的 優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到良好的補(bǔ)償目的?；旌闲陀性礊V波器最大的好處是，逆變器只需承擔(dān)諧波電流和 諧波電壓，從而極大地降低了有源部分的容量，非常適合于大功率諧波負(fù)載的補(bǔ)償。jljl圖3單潺諧濾波幡和高通就遮器4結(jié)束語(yǔ)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)改善電能質(zhì)量電壓起著重要作用。隨著電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的不斷增加，其 產(chǎn)生的諧波也急需治理。在諧波嚴(yán)重的地方，若仍使用傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置則有可能 對(duì)諧波起放大作用？熏甚至產(chǎn)生諧振，從而給系統(tǒng)和補(bǔ)償裝置帶來(lái)危害。低成本的無(wú)源濾波 器是目前普遍采用的無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理裝置。此裝置使用簡(jiǎn)單，但存在一定缺陷。有源濾 波器可以對(duì)幅度和頻

21、率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，但也存在初期投資大、運(yùn)行 效率低的缺點(diǎn)。為此，可將有源濾波器和無(wú)源濾波器結(jié)合起來(lái)使用，既可以使有源濾波器容 量降低，又可彌補(bǔ)無(wú)源濾波器的缺陷，是一個(gè)很好的發(fā)展方向。項(xiàng)目概述1.1前言單博博研制生產(chǎn)的低壓諧波濾除裝置是專(zhuān)用于低壓電網(wǎng)3次、5次、7次、11次、13次及以上的諧波無(wú)源濾波裝置。適用于中頻冶煉、變頻、軋鋼、整流設(shè)備等的環(huán)境。該裝置 采用了電感和電容器組成串聯(lián)諧振吸收回路，有效的將負(fù)載產(chǎn)生的諧波加以吸收，從而避免 將諧波電流返送到電力變壓器，大大降低電網(wǎng)的諧波量，同時(shí)有利于用戶電力變壓器的運(yùn)行， 降低功耗，提高設(shè)備和其它電器組件的可靠性。此外該設(shè)備還

22、提供一定容量的無(wú)功功率補(bǔ)償， 提高用戶負(fù)載的運(yùn)行效率。該裝置分綜合控制柜和電抗柜，視用戶要求不同，配置的濾除諧 波次數(shù)也不同。通常一套系統(tǒng)4種諧波。系統(tǒng)的操作可分自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)操作。1.2諧波的基本定義及基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵詞語(yǔ)的基本概念諧波：（harmonic）對(duì)周期性交流信號(hào)量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率 大于1的整數(shù)倍的分量。我國(guó)供電系統(tǒng)頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次 諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。公共連接點(diǎn)：（PC C）用戶接入電網(wǎng)的連接處?？傊C波畸變率：（THD）周期性交流量的諧波含

23、量的方均根值與基波分量的方均根值之 比（用百分?jǐn)?shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。諧波源（harmonic source）:向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的 電氣設(shè)備。感性無(wú)功：電動(dòng)機(jī)，變壓器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率 和釋放的功率相等，這種功率叫感性無(wú)功功率。容性無(wú)功電容器在交流電網(wǎng)中接通時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)，上半周期的充電功率和下半周期的 放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫容性無(wú)功功率。功率因數(shù)：有功功率與視在功率的比值稱(chēng)為功率數(shù)。功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)：實(shí)行兩部分電價(jià)制度的用電企業(yè)，供電部門(mén)根據(jù)用戶平均功率因數(shù)

24、 而加收或減免的電費(fèi)，稱(chēng)為功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)1.2.2諧波的產(chǎn)生和危害諧波的產(chǎn)生諧波主要是由于大容量整流或換流設(shè)備以及其它非線性負(fù)荷，導(dǎo)致電流波形畸變?cè)斐傻摹Ｎ?們對(duì)這些畸的變交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量 整數(shù)倍的諧波分量。諧波的危害影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電 器，感應(yīng)式繼電器或新式微機(jī)保護(hù)進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到 高次諧波的影響容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，微機(jī)保護(hù)由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影 響導(dǎo)致誤動(dòng)或拒動(dòng)，這樣諧波嚴(yán)重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。影響電網(wǎng)的質(zhì)量：高次諧波能

25、使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波 電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗， 浪費(fèi)電網(wǎng)容量。影響供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備：供電系統(tǒng)變電站均有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，當(dāng)諧波注入電網(wǎng)時(shí) 容易造成高壓電容過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，使電容異常發(fā)熱：另外諧波的存在還會(huì)加快電容器絕緣 介質(zhì)的老化，縮短電容的使用壽命。影響電力變壓器的使用：諧波的存在會(huì)使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓 器的使用效率；還會(huì)造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。影響用電設(shè)備：諧波的存在會(huì)造成異步電機(jī)電動(dòng)機(jī)效率下降，噪聲增大；使低壓開(kāi)關(guān)設(shè) 備產(chǎn)生誤動(dòng)作；對(duì)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的正常通訊造

26、成干擾，影響電力電子計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性。1.2.3治理諧波及補(bǔ)償無(wú)功功率的重要性采用專(zhuān)門(mén)的濾波裝置能夠有效的濾除高次諧波，同時(shí)向電網(wǎng)提供容性無(wú)功功率，其重要性主 要表現(xiàn)在以下方面：濾除高次諧波能夠定化用電環(huán)境，降低視在功率，減少諧波電流在用電設(shè)備和輸配電設(shè) 備中的發(fā)熱，直接節(jié)省有功功率；消除由于諧波產(chǎn)生的震動(dòng)，延長(zhǎng)電器的使用壽命；有效的 消除對(duì)敏感元件的影響。由于濾波回路是由電抗器和電容器串聯(lián)形成的，所以在濾波的過(guò)程中能向電網(wǎng)注入容性 無(wú)功，提高了功率因數(shù)，這樣就能避免供電部門(mén)高額的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，由于無(wú)功電流的 抵消，也相當(dāng)于提高了配電設(shè)備的容量，減少了線損。無(wú)功功率補(bǔ)償還能提升末端的電網(wǎng)電

27、 壓，對(duì)優(yōu)化用電環(huán)境有很重要的意義。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，首先應(yīng)滿足各種負(fù)載水平下對(duì)諧波限制的技術(shù)要求，然后在次前提下，使 濾波器在經(jīng)濟(jì)上最為合理。除以上經(jīng)濟(jì)分析外，設(shè)計(jì)濾波器還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1）單調(diào)濾波器的諧振頻率會(huì)因電容，電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會(huì)有一定的 波動(dòng)，這將導(dǎo)致濾波器失諧。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在正常是諧的情況下濾波裝置仍能滿足各項(xiàng)要求。2）電網(wǎng)阻抗變化對(duì)濾波裝置尤其是其中的單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴(yán) 重的是，電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分予以考慮。1.3項(xiàng)目業(yè)主有關(guān)情況根據(jù)用戶提供的供電系統(tǒng)資料可知，該配電系統(tǒng)中頻生產(chǎn)線上現(xiàn)有供電變壓器1臺(tái)，

28、容量 均為400KVA，低壓?jiǎn)文妇€運(yùn)行，電壓變比為10/0.4，帶1臺(tái)大功率中頻電爐。由于中頻機(jī) 采用的是晶閘管整流技術(shù)，在工作時(shí)不同程度地產(chǎn)生了一定的諧波發(fā)生量，根據(jù)用戶提供的 參數(shù)及我公司對(duì)其它同類(lèi)型項(xiàng)目的諧波測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，中頻機(jī)工作時(shí)，在用戶配電系統(tǒng) 中，5次諧波電流含量可達(dá)到20%以上，7次諧波電流也可達(dá)12%以上，諧波電流及諧波 電壓畸變率將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)標(biāo)電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波GB/T 14549-93的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。 高次諧波電流注入上端10KV電網(wǎng)，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)中高次諧波含量迅速增長(zhǎng)，引起供電電 壓波形畸變，增加了線損和用電設(shè)備的損耗，造成了多余的能耗，同時(shí)影響電網(wǎng)其他用電

29、設(shè) 備的正常運(yùn)行，降低了電能質(zhì)量，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成了安全隱患。同時(shí)由于設(shè)備運(yùn)行時(shí) 隨著負(fù)荷的變化功率因數(shù)變壓也較大，低負(fù)荷時(shí)只有0.8左右，這將產(chǎn)生多余的無(wú)功損耗， 給用戶造成較大無(wú)功罰款，使用戶蒙受了較大的電費(fèi)損失。為了保證設(shè)備正常運(yùn)行、供電系統(tǒng)可靠供電和節(jié)約電能，需要對(duì)該設(shè)備采取抑制諧波電流的 技術(shù)措施，同時(shí)考慮補(bǔ)償基波無(wú)功功率。根據(jù)我國(guó)有關(guān)電網(wǎng)電壓質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以及目前 國(guó)內(nèi)外在諧波治理方面的研究成果，采用濾波兼動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)方案，針對(duì)該整流產(chǎn)生的特征 諧波分別設(shè)置濾波回路，吸收諧波電流，同時(shí)也起到補(bǔ)償基波無(wú)功功率、節(jié)約電能的作用。 樂(lè)清市中容電力補(bǔ)償設(shè)備有限公司生產(chǎn)的諧波治理設(shè)備具

30、有動(dòng)態(tài)跟隨負(fù)荷的變化的特性，能 有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率因數(shù)和節(jié)約電能，同時(shí)提高整個(gè)用電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及設(shè) 備運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，給用戶帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì) 效益。1.4中頻負(fù)載產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備的影響中頻電源根據(jù)整流脈數(shù)可以分為6脈整流，12脈甚至24脈，根據(jù)工作時(shí)的功率因數(shù)可以分 為恒功率中頻機(jī)與普通中頻機(jī)。整流的相數(shù)越高，產(chǎn)生的諧波量就越低，對(duì)電網(wǎng)的影響就越 小，危害大大降低。中頻電源由于采用的電氣傳動(dòng)為晶閘管整流技術(shù)，所以在工作時(shí)除了功率因數(shù)較低外，同時(shí) 也產(chǎn)生高次諧波，若中頻電源變壓器單個(gè)繞組側(cè)采用的是六脈動(dòng)整流技術(shù)，則產(chǎn)生的諧波主 要以5，

31、7，11，13次為主。高次諧波對(duì)電網(wǎng)主要影響：引起電氣設(shè)備發(fā)熱，振動(dòng)，增加損耗，縮短壽命，干擾通訊，使 可控硅誤觸發(fā)，部分繼電保護(hù)誤動(dòng)作，電氣絕緣老化損壞等。以下作出中頻機(jī)單邊（一個(gè)繞組）六脈整流方式工作時(shí)的硬件仿真原理圖及電壓電流波形：設(shè)計(jì)遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)公用電網(wǎng)諧波 電壓波動(dòng)和閃變 供電電壓允許偏差2.3.1總設(shè)計(jì)及制造標(biāo)準(zhǔn)：公用電網(wǎng)諧波 電壓波動(dòng)和閃變 供電電壓允許偏差GB/T14519-1993GB12326-1000GB/T14519-1993GB12326-1000GB12325-1990GB/T 15576-1995JB/T 7115-1993電能質(zhì)量電能質(zhì)量 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件低壓無(wú)功就地補(bǔ)償裝置無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)條件；JB/T9663-1999低壓無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值GB/T 17625.7-1998電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度GB/T 14543-1995鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)國(guó)標(biāo)GB1027電壓互感器國(guó)標(biāo)GB/T5356電壓互感器試驗(yàn)導(dǎo)則國(guó)標(biāo)GB1028電流互感器國(guó)標(biāo)