电力系统中谐波的产生、危害和抑制方法分析.pdf

煤炭 工程 2 0 1 0年第 2期 电力系统 中谐波的产生、危 害和抑制方法分析 齐立芬 ( 1 郑州煤炭高级技校，河南 新郑4 5 1 1 5 0 ；2 ，姚 宁 浙江庆安化工有限责任公司，浙江 嘉兴3 1 4 2 0 1 ) 摘要：分析 了电力系统 中，由非线性 负载谐波源所产生谐波的成 因以及对电网供 电质量的 影响和危害，引入 了暂态谐波和稳态谐波的概念。介绍 了传统的谐波抑制方法和新型的谐波抑制 方法，肯定了有源滤波器的是今后谐波抑制装置的主要发展方向。 关键词：谐波；抑制；电力系统 ；有源滤波 中图分类号 ：T M7 1 4 文献标识码 ：B 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 9 0 - 0 2 Re s e a r c h o n h a r mo n i c o c c u r r e d，da n g e r a nd c o nt r o l i n e l e c t r i c po we r s y s t e m Q I “一 f e n ，Y A O n i n g ( 1 T h e A d v a n c e C o a l Mi n i n g T e c h n ic a l S c h o o l o f Z h e n g z h o u，Xi n z h e n g4 5 1 1 5 0 ，C h i n a ； 2 Z h e j i a n g Q i n g h n C h e mi c a l C o m p a n y L i m i t e d ，J i a x i n g 3 1 4 2 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e p a p e r a n a l y z e d t h e h a r mo n i c c a u s e b y t h e n o n l i n e a r l o a d h a r mo n i c s o u r c e s a n d i n fl u e n c e a n d d a n g e r s t o t h e e l e c t r i c p o w e r s u p p l y q u a l i t y T h e t r a n s i e n t h a r mo n i c a n d s t a t i c h a r mo n i c c o n c e p t i o n w e r e i n t r o d u c e d T h e p a p e r s t a t e d t h e c o n v e n t i o n a l h a rm o n i c c o n t r o l me t h o d a n d t h e n e w h a rm o n i c c o n t r o l me t h o d T h e p a p e r c o nfi rm e d t h a t t h e p o w e r e d w a v e f i l t e r w o u l d b e t h e ma i n d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f t h e h a rm o n i c c o n t r o l d e v i c e i n t h e f u t u r e Ke ywo r ds：h a rm o n i c； s u pp r e s s i o n； e l e c t r i c p o we r s y s t e m ；po we r e d wa v e f i l t r a t i o n 电力系统电能质量标准除电压 、频率、可靠性外，还 有波形。我国电力系统波形的标准是 5 0 H z的正弦波形。由 于国内外对发电机的设计和制造的质量标准中对波形有严 格的要求，可以认为发电机发出来的电压波形都是标准正 弦波形。但是随着工业化、电气化的发展，出现了许多非 线性的负荷，如冶炼、电气化铁路 、整流和逆变负荷、变 频负荷等，接上这些负荷，使系统的电压、电流波形发生 畸变。对于一个非正弦波形，可以按傅立叶级数展开成基 本频率、2倍、3倍等数倍于基本频率的正弦波形之和。这 些 2倍以上的正弦波均称为高次谐波。 l 谐波的产生与危害 1 1 谐 波的产生 电气系统所产生的谐波有以下 2类：暂态谐波：暂 态谐波的产生是由于在电力系统中所使用的电气开关操作 所引起，另外电力系统或者使用电力的生产设备发生故障， 也将产生暂态谐波；稳态谐波：稳态谐波是由电力系统 中非线性负荷所产生。这些非线性负荷有 ：a 电流源谐波 ： 大功率交流装置，如大型电解电源、大型电化电源、电力 机车、轧钢机械设备、中高频加热炉、电弧炼钢炉、频率 变换器、通用变频器等。b 电压源谐波：含有铁芯的大容 量变压器、电动机 、电焊机、铁芯电抗器 、电压互感器等。 e 其它象电视机、电池充电器、荧光灯等装置也会产生谐 波，虽然单个装置的功耗不大，但 由于使用面广，数量很 多，因此，它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。 电流源谐波对电网的影响最大 ，电压源谐波对电网的影响 极小。近来变频调速控制系统应用越来越广，其对电力系 统的谐波污染不容忽视。 1 2 谐 波的危 害 电力系统的谐 波会产生如下危害 ： 1 )谐波电流使输 电线路 、发电机 、电动机 、变压器产 生附加损耗，温度升高；使发电机、电动机 、变压器的震 动和噪声增加。 2 )谐波中的较低次谐波谐振会使换流装置工作不稳定。 3 )谐波电流会对通信、继电保护装置、自动控制装 置、计算机产生干扰，损害通话的清晰度，造成电话铃误 响、引起继电保护装置的误动等。 4 )若电网谐波较大，会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用， 导致单相重合闸失败，或不能采用较短的自动重合闸时间。 5 )使电能计量产生误差。产生谐波的用户因为向系统 送谐波功率而少计量，而受害用户因吸收无用的谐波功率， 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 5 2 1 作者简介：齐立芬( 1 9 7 5一) ，女，河南唐河人，讲师，现在郑州煤炭高级技校电气教研室从事教学工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第2期 煤炭工程 还要多付费。 6 )谐波弓 l 起的谐波过电压会造成电网设备的损坏。 7 )造成电容器的损坏。电力系统中的谐波对并联补偿 电容器有较大的影响： 增加介质损耗，谐波产生的损耗 和谐波次数成正比，高次含量越大，产生的损耗也越大， 使 电容器温度 升高 ，电容 器温 度升 高又 引起介 损增加 ，这 样反复循环，最后导致电容器热击穿； 引起或加剧介质 内部的局部放 电。 2谐波的抑制方法 目前国内外主要从谐波发生源、配电系统以及谐波抑 制装置 3个方面来抑 制谐 波 。这里 主要 介绍设 置谐 波装置 抑制谐波的方法 。 2 1 传统 的谐 波抑 制 方法 1 )加设电力无源滤波器。电力无源滤波器由 L 、C 、R 组成，其结构简单 、运行可靠、维修方便 ，除滤波外还兼 有无功补偿的功能，容量可设计成很大，现在广泛采用。 2 )增加变流器二次侧整流的相数。对于大容量的变流 器，设计时尽量增加整流相数 ，相数越多，注入电网最低 谐波次数越高，谐波电流越小 ，滤除越简单；如整流相数 为 6相时，5次谐波电流为基波电流的 1 8 5 ，7次谐波电 流为基波电流的 1 2 ，若将整流相数增加为 1 2相，则 5次 谐波电流可下降到基波电流的4 5 ，7次电流下降到基波 电流的 3 。在采用并联多重联结的整流电路时，必须采取 有效的措施保证可控 电力电子元件触发移相的同步性，否 则将会产生更大的谐波电流。 3 )防止并联电容器组对谐波 的放大 。并联 电容器在 电 网中起提高功率因素和调节波动电压的作用。但是当谐波 存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波放大。为避免 电容器对谐波的放大 ，一般采取的措施是：改变与电容串 联的限流电抗器 ；将 电容器组某些支路改为滤波器；限制 电容器的投入容量。 4 )增加电网短路容量，提高设备的短路 比，降低谐波 对接在同网上的其它设备的影响。 2 2 新型的谐波抑制方法 在一般情况下，交流器产生的高次谐波随时间变化， 采用静止滤波及补偿器无法达到滤除 目的及全部补偿。若 采用有源滤波器即可达到理想 的效果。有源电力 滤波器 ( A P F ) 实质上是一种大功率波形发生器 ，它把谐波经过采 样 、1 8 0 。 移相后 ，再完整 的复 制 出来 ，送 到谐 波源 的入 网 点。复制的谐波与原谐波幅值相等，方向相反 ，并跟随原 谐波的变化而变化，因此 ，原谐波就被抵消了。有源滤波 器由2大部分组成，即指令电流计算电路和补偿电流发生 电路。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中 的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路则根据指令 电流运算电路的指令信号，产生需要的补偿电流。图 1是 有源滤波器经过改进的工作原理示意图。E 为交流电源， 负载为谐波源。A P F检测出谐波源负载电流 i 的谐波分量 通过运算输出指令信号，由补偿电流发生电路产生补 偿电流 i ，i =一 使得电源侧电流 i 中不含谐波，而仅 有基 波。 有源滤波器与无源滤波器相 比，有以下特点：不仅 能补偿各次谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多 功能的特点，在性价 比上较为合理；滤波器特性不受系 统阻抗等的影响，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，即具有 高度可控性和快速响应性等特点。 按照接人电网的方式，有源滤波器可分为串联有源滤 波器 和并联有 源滤波 器 ，近年 来又设 计 出串联混 合型 和并 联混合型有源滤波器。有源滤波器虽然在谐波治理上有其 突出特点 ，但其有功损耗较高，综合成本比无源滤波器高 出很多，故在大容量的滤波器装置上 目前还未广泛采用。 随着微电子控制器和电力半导体器件的发展，有源电力滤 波器的性价比会越来越高，因此有源滤波器将是今后谐波 抑制装置的主要发展方向。 3结语 图 1 有源滤波 工作原理 有源滤波器可以克服无源滤波器在实际运行中补偿特 性易受电阻抗变化和运行状态影响，与系统发生谐波放大 甚至并联谐振的缺陷。若将无源滤波器和有源滤波器相结 合构成混合滤波器，相互取长补短，兼有两种滤波器优点， 这种方案是谐波抑制方案研究的热点。更为积极的方法是 单位功率因数变流器，它是不产生谐波且功率因数为 1的 新型变流器 ，它将有 力地 推动无 功补偿 和谐 波抑制 新技术 的进步 ，前景十分广 阔。 参考文献 2 S h e n D ， L e h n P W A n o v e l c u r r e n t c o n t r o l l e r f o r a c t i o n p o we r fi lf e r b a s e d o n t h e o p t i ma l s p a c e v e c t o r J E l e c t r i c P o w e r Ap p l i c a t i o n s ， I EE P r o c e e d i n g s ， 2 0 0 2， 1 4 9： 2 482 7 4 戴逸 民，梁晓雯 ，裴 小平 ，等基 于 D S P的现代 电子系统 设计 M 北京 ：电子工业 出版社 ，2 0 0 2 ( 责任编辑赵巧芝) 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m