电力系统谐波及其抑制技术的研究.docx

设计题目：　　电力系统谐波分析及抑制技术的研究　　　　　　　　　　　　　　　　　

内容摘要

随着电子技术的迅猛发展和电力电子装备的广泛应用，人们对电能的使用及电能的质量提出更高的要求。本文根据对龙海电网的简介了解电力系统谐波的危害，以及对鹰潭纸业电力电子装置谐波治理进行分析和总结. 利用无源滤波器的基本原理、系统构成和主电路形式的原理，以及各种类型无源电力滤波器的基本构成和优缺点。指出了其相应的谐波管理原则和综合治理方法，并对实际谐波治理工作进行总结。

关键词：电力电子； 谐波； 危害 ； 谐波抑制

目 录
1 引言………………………………………………………………………………1
1.1 绪论…………………………………………………………………………1
1.2 谐波的基本概念……………………………………………………………2
1.3 谐波的产生及其危害………………………………………………………3
1.4 鹰潭市电网谐波情况………………………………………………………8
2 谐波抑制技术……………………………………………………………………12
2.1 降低谐波源的谐波含量……………………………………………………12
2.2 无源滤波器…………………………………………………………………13
2.3 有源滤波器…………………………………………………………………16
2.4 防止并联电容组对谐波的放大……………………………………………17
2.5 加装静止无功补偿装置……………………………………………………19
3 鹰潭市纸业谐波抑制治理案例……………………………………………20
3.1基本情况……………………………………………………………………20
3.2 谐波分析……………………………………………………………………21
3.3谐波治理方案………………………………………………………………21
3.4 无源滤波器的设计…………………………………………………………22
3.5 设计参数值的计算及校验…………………………………………………24
4 结论………………………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………………………27
致谢…………………………………………………………………………………28

1.引言

随着电力电子技术的高速发展，电力网中非线形负载的逐渐增加是全世界共同的趋势，如变频驱动或晶闸管整流驱动设备,计算机，重要负载所用的不间断电源，节能荧光灯系统等 ,这些非线性负载将导致电网污染,电力品质下降,引起供电设备故障,甚至引发严重火灾。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。
1.1 绪论
1.1.1 电能质量
电能既是一种经济、实用、清洁、容易控制和转换能源形态，又是电力部门向电力用户提供发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。电力系 统供电的电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用三方权益。优良的电能 质量保证电网和广大用户的电气设备和用电设备安全、经济运行。现代社会中，电能作 为一种广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。 电能质量问题的提出由来已久，衡量电能质量的指标也是随着电力系统的发展而备 受关注阵l删。在电力系统的发展早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、 异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，衡量电能质量的指标主要有：频率偏移和 电压偏移两种。20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件 和装置在现代工业中得到广泛应用，不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转 换和控制，这些装置给人们生产和生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负 荷明显增加.
1.2 谐波的基本概念
电力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，这部分电量尔为谐波。
电力系统中的正弦电流由电网从发电厂、输配电线路和变压器传送，作用于非线性元件时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，称为电力谐波。电力系统中的非线性元件主要是换流和整流设备、变频设备、中频感应炉、电弧炉、轧钢机、电解槽和电解化工设备、大容量电弧焊机等负载。谐波实际上就是一种干扰盆，使电网受到“污染”。
以下以桥式全控整流电路为例介绍谐波的产生。

1.3.1.1单相桥式整流电路

单相桥式整流电路 输入波形图
单相桥式整流电路，当在阻感负载且串联电感L，且
忽略换相过程和电流脉动，在阻感负载且串联电感L足够大时电流i2的波形见下图1-1

图1-1 i2波形图
其中： n=1，3，5…
由变压器二次侧电流谐波分析可知：
电流中仅含奇次谐波。
各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
基波电流有效值为： ，i2的有效值I=Id，
结合上式可得基波因数为：
电流基波与电压的相位差就等于控制角a，故位移因数为

所以，功率因数为：

1.3.1.2三相桥式全控整流电路

三相桥式整流电路

由变压器二次侧电流谐波分析可知：
电流中含有奇次谐波。
以a =30°为例，在阻感负载时，忽略换相过程和电流脉动，且直流电感L为足够大。此时，电流为正负半周各120°的方波，如下图1-2所示，其有效值与直流电流的关系为：

图1-2输出波形图
带阻感负载a =30°时的波形
由变压器二次侧电流谐波分析可知，电流基波和各次谐波有效值分别为：
Ø 电流中仅含6k±1（k为正整数）次谐波。
各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
基波因数：，位移因数仍为：
功率因数为：
通过非线性元件装置的整流使得设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，因此产生了谐波。
2.谐波抑制技术

2.2无源滤波器
无源滤波器，又称LC滤波器，
无源滤波器工作原理图无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，其工作原理是：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。
无源滤波器可分为单调谐滤波器和高通滤波器及双谐滤波器等,原理上两者完全相同,均为LC串联谐振回路。

无源滤波器
2.2.1单调谐波滤波器

单调滤波器及阻抗频率特性
其原理为：
令得 =
又因为
推出
为角频率，，n为谐波次数，当谐波频率与谐振频率相同时，滤波器对该频率的谐波阻抗最小，因此可以将该次谐波短路过滤。
2.2.2高通滤波器

图2-1高通滤波器
高通滤波器有一阶减幅型（图2-1 a）、二阶减幅型（图2-1 b）、三阶减幅型（图2-1 c）和C型（图2-1 d）四种。
这四种高通滤波器的对比：
1) 一阶高通滤波器由于基波损耗太大，需要的电容也很大，一般不采用。
2) 二阶高通滤波器的滤波性能最好，结构简单，工程应用较多，但相对于三阶高通滤波器而言其基波损耗较大。
3) 三角高通滤波器对基波的阻抗较大，基波的损耗很小，但滤波性能不够好，实际应用较少。

4) C型高通滤波器的性能介于二阶与三阶之间，存在基波串联谐振支路，可大大减小基波损耗，有一定的应用价值，但它是通过牺牲较大的投资来换取较小的基波损耗，而且它对基波频率偏差及元件参数变化比较敏感。
二阶高通滤波器对n次谐波的阻抗为：

二阶高通滤波器阻抗频率特性
2.2.3双调谐滤波器

双调谐滤波器及阻抗频率特性
如图2-5所示为双调谐滤波器的原理图，它有两个谐振频率，能同时 吸收这两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器的阻抗特性可以看作由上段、、串联阻抗和下段、与、并联阻抗串联相加组成，滤波器阻抗：

采用双调谐滤波器代替两个单调谐滤波器，可以减少基波的损耗，降低L2上的冲击电压。双调谐滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻抗小得多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电压。由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压电流输电工程中得到了应用。
由于具无源滤波器具有投资少、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。
2.3有源滤波器
即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。
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。
有源谐波调节器的基本工作原理如下图
有源谐波调节器的基本工作原理
有源谐波调节器工作原理框图如下图

有源谐波调节器工作原理框图
指令电流检测电路从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。
电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感)。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象，随着超导储能磁体研究的进展，也将促进多功能电流型APF投入实用。
2.4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数和调节电压的作用。在工频频率的情况下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。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。
S
T

C
等值电路图
In
Icn
Xcn
ISn
Xsn
Rsn
系统化简图

在未加Xc前，略去电阻，谐波源In母线处的谐波电压为：
；
并联了补偿电容器后，则谐波源的输入谐波电抗为：

此时谐波电压：
注入系统的谐波电流：

2.5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。
静止无功补偿器是一种没有旋转部件，利用可控硅等电子开关投切电容，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。
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，还可补偿功率因数。它的缺点是本身产生谐波，若不采取措施将污染电力系统，一般有配套的电力滤波器。为了实现双向连续调节，克服并联电容调节效应的弱点，要求增大补偿容量。
3.鹰潭造纸厂谐波抑制治理案例

3.1基本情况
鹰潭造纸厂由一台型号为S11-2000/35-0.4 容量：2000kVA 阻抗：6.135%的变压器供电。负荷包括制浆动力约为45%(529.3 kVA)，造纸动力约为40%（457.8 kVA），锅炉动力约为10%（112.3 kVA），及其他5%，共1120 kVA，系统的短路阻抗为25%。动力装置大都采用变频装置。造纸厂一天24小时连续不间断工作，负荷变化比较平稳。4组电容器柜将功率因素由大约0.60补偿到0.97。每个电容器柜由10个三相电容器并联而成，共补偿无功40*25=1000 kvar。功率因素虽然很高，但是无功补偿装置工作情况不稳定，低压无功补偿装置经常出现熔断器过热烧毁、电容器频繁投切和过流损坏等问题，频繁投切乃至损坏，给厂方造成了一定损失。
由于造纸厂三班工作制，负荷变化情况比较平稳；所以可以使用短时间的测量数据来估计长期的负荷谐波情况。对总线、电容柜、#1动力柜、#2动力柜和#3动力柜进行了连续半小时的监测。监测电压为低压侧母线和地线间的A、B和C相的三相相电压，监测电流为原测量回路的电流互感器的A、B和C相三相相电流。同时监视和记录三相电压和电流，采样频率采用4800Hz，每间隔一分钟对三相电压和三相电流采样一次，每次采样时长为0.25s。
采集到的数据如下：
1 母线
谐波次数
3
5
7
11
13
Uh（%）
2.02
3.77
1.63
0.48
0.14
Ih（%）
3.02
21.44
3.61
2.87
0.61
总的谐波畸变率THDU =4.7%，THDI =22.3%
谐波电流与基波电流的有效值
谐波次数
3
5
7
11
13
Ih/A
37.72
267.81
45.21
35.85
7.58
GB/A
186
186
132
84
72
总线的电压波形良好，电流畸变严重，其中以5次谐波电流为主。
2 无功补偿装置
电容柜电流的谐波水平
谐波次数
3
5
7
11
13
Uh（%）
0.35
20.47
11.33
5.2
1.51
Ih（%）
1.07
62.84
34.78
15.96
4.62
电容柜的电压情况与总线相同，总的谐波畸变率，THDU =4.9%，THDI =24.3%
电容柜的电流畸变十分严重，5次和7次最为严重。大量的高次谐波是造成无功补偿装置（电容柜）异常的主要原因。由于4组电容柜为每2组并联控制，所以所测的电容电流为实际电容电流的一半。
3 负荷
造纸负荷主要是各种动力装置，如制浆动力，造纸动力，锅炉动力等，总容量占到全厂的81%。
谐波次数
1
3
5
7
11
13
车间1 Ih/A
156.49
3.47
30.1
26.19
12.46
5.63
车间2 Ih/A
93.79
1.62
12.31
13.43
5.63
2.74
车间3 Ih/A
360.9
3.73
24.55
7.76
3.96
0.87
3.2谐波分析
该厂由于设备改造后投入新设备大量的采用了变频装置，产生了大量的谐波，在母线上测得的数据反应出谐波主要以5次谐波为主，而在无功补偿装置上出现的5次、7次谐波超标，主要是由于并联电容器组对谐波进行了放大，造成电容柜的电流畸变十分严重。
因此对于该厂谐波治理主要以治理母线上5次谐波为主。
3.3谐波治理方案
电容器组的投入放大了5次、7次谐波，因此从理论上讲可以在电容器组中串联电抗器增加感抗来减小电容器组对谐波分量的放大，从而抑制谐波，但从实际出发，增加感抗来滤波，滤波的能力弱，而且不能直接在原来的无功补偿装置上串联电抗器，因为这样可能会使电容器过流和过压，要通过计算重新设计改造、重新分配电容器组。
根据厂方的实际情况，从较少投入，获得最大收益角度来设计，决定在母线上加装一组单调滤波器器来抑制谐波的污染。
3.4无源滤波器的设计
单调滤波支路参数计算主要包括确定C、L、R的大小，额定电流，额定电压等部分。
1．根据系统谐波电流情况确定单调谐支路的谐振频率f；
2．根据谐波电流的大小计算所需电容器C的容量，计算公式为

其中为电容器容量，为相电压有效值，为该次电流谐波有效值。若继续考虑无功补偿要求，可以按平均分配的原则增大，满足系统的无功补偿需要；
3．根据计算出所需电容C的大小，计算公式为

其中为系统的基波角速度，为电容器的额定电压；
4．根据C和支路谐振频率计算电感L的大小，计算公式为

其中n为谐波电流次数，为了增加系统稳定性，计算时基波频率取49.7Hz；
5．根据滤波效果选取滤波支路品质印数Q，一般Q选取范围是30－60，假设电抗器电阻为，则需要加的电阻器R的大小为

考虑到散热以及成本问题，在滤波效果满足要求的情况下，可以不加电阻器；
6．得到滤波器参数C、L、R之后，计算出率特性，根据图4所示模型计算流入电网的谐波电流
Xdn

Xsn

Isn

ILn

Is

谐波源负载模型
图中谐波源等效为一个电流源并联其内阻，即负载电抗的形式。流入滤波装置电抗Z的谐波电流为，流入电网电抗的谐波电流为，其中等效电抗

流入电网的谐波电流为

若流入电网的谐波电流满足国家标准，则进行下一步的校核，若不满足要求，则降低R的大小，并对C、L参数进行微调，进一步减少流入电网的谐波电流；
7．计算滤波器正常失谐情况下，滤波性能是否能够达到标准，若不能达到标准需要进一步调整C、L、R参数；
8．计算电网阻抗和滤波支路的等效并联阻抗，检验是否在特征频率下发生并联谐振，若发生并联谐振则需要进一步微调C、L、R参数；
9．当C、L、R参数满足上述所有要求的情况下，进一步校核各器件的额定电流以及额定电压，使得电容器的额定电流电压容量满足

其中U，I，Q依次为电压，电流，容量，下标C1，Ch，CN依次为基波、谐波和额定值。
3.5设计参数值的计算及校验

3.5.1 设计参数值的计算：变压器额定容量为2000KVA，短路阻抗为6.135%%，所以变压器的短路容量为 Sd = 2000/6.135%=32.6MVA
负荷容量为1.12MVA，若系统的短路阻抗为25%，所以负荷的短路容量为
Sd1= 1.12/25%=4.48MVA
高压侧短路容量估计为100MVA，所以总线的两端短路容量约为30MVA。
5次电流含有量为21.44%，5次电流为267.81A，所以基波电流有效值为
I1=I5/ U5（%）=267.81/21.44%≈1250A
如果不考虑补偿电容的影响，5次谐波电流约为250A
3.5.2参数值的校验
（1）过电压校验
Ucn 为300V，Uc1为220V，∑Uch≈8.24+3.586+1.056+0.2028=13.48V
Uc1+∑Uch≈220+13.48＜1.1Ucn，满足过电压要求。
（2）过电流校验
Icn=125A，Ic1=1250A
≈=1280
＜1.3Icn
满足过电流的要求
（3）容量平衡校验
Qc1=220*1250=275000
Qc1+∑Qch≈275000+267.81*8.24+45.21*3.586+35.85*1.056+
7.58*0.2028＜Qcn
满足容量平衡的要求。

4 结论
参考文献
[1] 郝江涛，刘念等，单相及三相电路谐波和无功电流的检测研究，《高电压技术》，2005年第三期

[2] 陈振生，《电网谐波的危害及抑制技术》

[3] 王兆安，杨君，刘进军，《谐波抑制和无功功率补偿》，北京：机械工业出版社
致 谢
本文是在导师郑忠玖老师的悉心指导下完成的。郑老师诲人不倦的工作作风，一丝不苟的工作态度，严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响，让我终生受益，值得我永远学习.郑老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。他的指导使我受益匪浅.在此，谨向郑忠玖老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！