电力谐波的危害及其防治技术

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 电力谐波的危害及其防治技术 摘要：本文重点介绍电力谐波 的产生原因，管制标准，危害及防治措 施，供大家参考。 中国论文网 /2/view-12897340.htm 叙词：谐波串联谐振并联谐振无 源滤波器有源滤波器 Abstract: this paper introduces the causes of the harmonic wave power, control standards, harm and prevention and control measures, for your reference. Xu word: parallel resonant harmonic of network (passive filter active filter -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：TM715 文献标识码： A 文章编号： 一、引言 随着半导体电力电子技术的快速 发展，以及“ 节能减排” 已成为国策，越 来越多的基于变流技术的电气节能设备 被应用到我们的工业生产和日常生活之 中。此类节能设备虽然较大的提高了工 厂设备的生产效率和减少了我们的电费 开支，但另一方面，却由于其产生了大 量的谐波，不仅污染了公用电网，造成 其他设备故障，同时也会产生附加损耗， 浪费电能。为此，谐波的危害及防治技 术已逐步引起人们的重视。 二、谐波的定义及评价 对于一个周期为 T 的非正弦周期 波形 f(t)，按照傅利叶级数可以将其分 解为直流分量和许多不同频率的正弦交 流分量之和，即 f(t)=A + = A + w =2/T -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 A = A = a = b 式中， h 为谐波的次数，在正弦 交流分量中， h=1 的正弦分量称为基 波，其频率为 w 。基波分量外的其余 正弦交流分量称为谐波，其频率为基波 频率的整数倍(hw ); A 为周期波形在一 个周期中的平均值，称为直流分量。供 电系统中，直流分量对供电设备有严重 危害，因而要求大容量谐波发生设备不 得向电网注入直流分量电流。 在电力系统中，谐波分为谐波电 压和谐波电流，其对系统的影响通常用 “谐波含有率 ”和“总谐波畸变率”两个参 数来衡量。具体定义如下: 谐波含有率:第 h 次谐波分量方均 根值与基波分量方均根值之比。 HRU (h 次谐波电压含有率 )， HRI (h 次谐波电流含有率); -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 总谐波畸变率:除基波外的所有谐 波分量在一个周期内的方均根值与基波 分量方均根值之比。 U ， I ; THD (总谐波电压畸变率)，THD (总谐波电流畸变率); 谐波含有率仅反应单次谐波在总 量中的比重，而总谐波畸变率则概括地 反映了周期波形的非正弦畸变程度。 谐波按矢量相序又可分有正序谐 波、负序谐波和零序谐波。所谓正序是 指，3 个对称的非正弦周期相电流或电 压在时间上依次滞后 120，而负序滞后 240，零序t 是同相。其特征如下: 在平衡的三相系统中，由于对称 关系，不会在供电电网中产生任何偶次 谐波。 三、谐波的产生及危害 在供电系统中，理想的电压和电 流波形应为标准正弦波。但实际上，电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 压和电流波形都含有谐波，产生谐波的 因素，可归纳为两类: (1)公用电网谐波。此部分谐波由 公用电网注入到用户端，主要由发电源 和输配电系统产生。在发电源，由于发 电机的三相绕组和铁芯在制做上很难做 绝对对称，所以多少会产生一些谐波， 通常谐波很小;在输配电系统中，变压器 由于其铁心的非线性磁化特性，及设计 变压器时考虑经济性，其工作磁密选择 在磁化曲线的近饱和区，这样使得其励 磁电流波形发生畸变，产生谐波。其谐 波成分主要为 3 次和 5 次，3 次谐波约 为励磁电流的 510%，5 次谐波则可达 1520%； (2)用户端的非线性用电设备。主 要是由含半导体电力电子器件的设备所 产生，如变频调速器、直流调速系统、 整流设备、中高频感应加热设备、晶闸 管温控加热设备、焊接设备、电弧炉、 电力机车、不间断电源、计算机、通讯 设备、音像设备、充电器、变频空调、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 晶闸管调光设备、电子节能灯等。其产 生的谐波电流通过电网时，将在电网阻 抗上产生谐波压降，从而导致谐波电压 的产生。 谐波电压和电流的危害是广泛的， 其对发电机、变压器、电动机、电容器 等几乎所有连结电网的电气设备都有危 害，主要表现为: (1)降低电力设备的使用效率。因 谐波电流会使公用电网中的设备产生附 加的谐波功耗(有功和无功)，从而使发 电，输电及用电设备的有效容量及功率 因数降低； (2)加速电力设备绝缘老化，缩短 寿命，甚至直接损坏。由于谐波的高频 特性，其会产生涡流和集肤效应，从而 使电机、变压器、输电线路等设备产生 附加有功损耗而过热，此将加速设备绝 缘的老化，缩短了寿命;对电机，谐波还 会引起机械振动和噪音。除此之外，谐 波还会引起无功补偿电容器与电网局部 发生并联谐振和串联谐振，使谐波放大， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 从而导致电容器因过电流或过电压而损 坏； (3)零序谐波电流导致三相四线系 统中的中线(零线) 电流过载，从而引起 导线的传导损耗增加和导线发热，甚至 发生火灾;尤其在计算器房供电系统上， 大量的实测数据表明，即使用户已将跨 接在按三相四线制运行的大型 UPS 电 源上的三相负载仔细均匀分配，出现在 该供电系统的中在线的电流大都已达到 与相线电流接近的水平，甚至是稍有超 过的数量级，而不是像带电阻性三相平 衡负载时，其中线电流几乎为零。此时， 如果中线截面积按传统配置，设计为相 线截面积的 0.250.5 倍，则很可能造成 中线严重发热； (4)谐波造成变压器差动保护，线 路距离保护及电容器过流保护等继电保 护和自动装置误动作； (5)改变电压或电流的变化率和峰 值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断 容量； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 (6)谐波对电能计量精度有影响。 当供电系统含有谐波时，工频电度表对 谐波电压和谐波电流产生谐波功耗的计 量存在误差;此外，谐波的存在会影响电 度表的磁电特性，从而导致基波计量误 差； (7)当含有谐波电流的电力线路与 通信线路并行敷设时， 由于两者之间 存在静电感应和电磁感应，形成电场耦 合和磁场耦合，将在通讯系统内产生声 频干扰，从而降低信号的传输质量，破 坏信号的正常传输； (8)断路器开断谐波含量较高的电 流时，断路器的遮断能力将大大降低， 造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器 爆炸。 附表 1-家用电器和办公自动化 设备主要谐波电流值(相对值) 四、谐波的管制标准 为了保证电网和用电设备的安全、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 稳定、经济运行，目前许多国家、国际 组织以及一些大电力公司都制定了相应 的谐波标准。如关于公用电网谐波限制 的 IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993， 关于用电设备谐波电流排放限制的 IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z 17625.1-2003、GB/Z 17625.6-2003 等等。 虽然各谐波标准都不尽相同，但 都是大同小异，且所有标准的都是基于 以下三个目的： (1)将电力系统电流和电压波形的 畸变控制到系统及其所接设备能够允许 的水平; (2)以符合用户需要的电压波形向 用户供电; (3)不干扰其它系统(如通讯系统) 的正常工作。 GB/T14549-1993电能质量公 用电网谐波是现行电力谐波监督管理 的国家标准。除要求电网各级电压的谐 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 波水平不超出国标限值外，要求用户注 入公用电网的谐波电流不超出国标允许 值。否则应采取治理措施。以下附表引 自该标准。 附表 2-公用电网谐波电压(相 电压)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(%) 公用电网对于不同电压等级，允 许谐波畸变率也不相同。电压等级越高， 谐波限制越严。另外，对偶次谐波的限 制也要严于对奇次谐波的限制。 附表 3-注入公共连接点的谐波 电流允许值 公用电网公共连接点的全部用户 向该点注入的谐波电流分量不应超过附 表规定允许值。当公共连结点处的最小 短路容量不同于基准短路容量时，需进 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 行修正，公式如下: I ，S 为实际最小短路容量，S 为基准短路容量，I 为表中谐波允许电 流，I 为实际允许注入公共连结点的谐 波电流值。 五、谐波的治理措施 由于谐波源的广泛性和复杂性， 谐波的治理不可简单化，必须综合治理。 在管理层面上，必须贯 彻执行有关谐波的国家标准，加 强对谐波的监测。在技术层面上，首先 要找出谐波发生源，有的放矢。同时， 还要结合单位实际情况，选择性价比最 高的方案。 以技术层面考量，谐波治理可采 取以下几方面的对策： (1)增加换流装置的相数 换流装置是供电系统的主要谐波 源之一。理论分析表明，换流装置在其 交流侧与直流侧产生的 特征谐波次数分别为 n=pk1 和 pk(p 为整流相数或脉动数，k 为正整数)。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 如 6 脉冲整流器，将产生 5，7，11，13，17，19次谐波; 12 脉 冲整流器，则将产生 11，13，17，19 次谐波。由此可见，整流相数由 6 脉冲 提高至 12 脉冲后，可以有效的消除幅 值较大的低频项，从而大大地降低了谐 波电流的有效值。 (2)安装电力滤波器 为了减少谐波对供电系统的影响， 最根本的思想是从产生谐波的源头抓起， 阻止谐波源产生的 谐波注入电网，或者阻止电力系 统的谐波流人负载端。防止谐波电流危 害的方法，一是被动地防御(安装无源 电力滤波器)，即在已产生谐波的情况 下，采用传统的无源滤波方法(由一组 无源元件：电容器、电抗器和电阻器组 成的调谐滤波装置)，减轻谐波对电气 设备的危害。另一种方法是主动的预防 谐波电流的产生(有源电力滤波器)，即 有源滤波方法。其原理是利用可关断电 力电子器件产生与负荷电流中的谐波分 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 量大小相等，相位相反的电流来消除谐 波。 (3)增装动态无功补偿装置，提高 供电系统承受谐波的能力 在技术经济分析可行的条件下， 可以在谐波源处装设动态无功补偿装置： 静止无功补偿装置 (SVC-Static Var Compensator)或 更先进的静止同步补偿装置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以获 得补偿负荷快速变动的无功需求、改善 功率因数、滤除系统谐波、减少向系统 注入谐波电流、稳定母线电压、降低三 相电压不平衡度等，提高供电系统承受 谐波的能力。 由于受设备结构、效率、成本、 可靠性等因素影响，目前加装滤波器是 治理电力谐波问题的主要方法，下面将 详细介绍其原理及应用。 （一） 无源电力谐波滤波器 无源电力谐波滤波器由电力电容 器，电抗器和电阻器按一定方式连接而 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 成，通常分为单调谐滤波器和高通滤波 器。单调谐滤波器用来滤除较为严重的 低频单次谐波，高通滤波器则用来滤除 数值相对较小的所有高次谐波。一套无 源电力谐波滤波装置通常包括多组单调 谐滤波器和一组高通滤波器，下图 1 为 无源滤波装置在供电系统中的联接示意 图。 图 1 图中12 为单调谐滤波器，其 电抗器和电容器的理论参数应满足下式 关系； 即， 式中-分别为电容器基本容抗和 电抗器基波电抗值； h- 该单调谐滤波器期望滤波的 谐波次数。 当电容和电抗满足式时，单调谐 滤波器在 h 次谐波下呈现的总阻抗为电 阻 R，使 h 次谐波电流通过低值电阻 R 分流。但是，滤波器的失谐会严重影响 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 其滤波效果，因此，滤波器中 R，L，C 的选择应充分考虑这一点因素。 引起滤波器失谐的原因有：1 电网工 频频率的偏差。2 组成滤波装置的元 件，如电容器和电抗器本身在制造和测 量上的误差。3 滤波器成组的配合精 度。4 环境温度的变化对元件参数的 影响等。 图中3 所示为高通滤波器，由 于 L 和 R 并联，阻止低次谐波电流通过； 当谐波频率高于截止频率时，滤波器呈 低阻抗，旁路高次谐波电流。 由于滤波装置的参数选择涉及到 技术指标（谐波电压，谐波电流，无功 补偿率） ，安全指标（电容器的过电压， 过电流）一级经济指标（投资，损耗） ， 往往需要经过多个方案比较才能确定。 滤波器支路在基波频率下均呈容 性，所以，滤波器除抑制谐波外，还可 以兼作基波无功功率的补偿装置，设计 时应与该处无功功率补偿要求相配合。 （二）有源电力滤波器（active -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 power filter，简称 APF） 有源电力滤波器是近十年来人们 开发的一种新型谐波抑制装置。有源电 力滤波器以实时检测的谐波电流为补偿 对象，具有良好的补偿效果和通用性。 下图 2 为有源电力滤波器的原理结构示 意图。 图 2 有源电力滤波器首先实时检测出 负荷电流中的谐波分量 ，再通过电流 发生器发出与 大小相等的补偿电流 注 入电网以抵消 ，从而使系统侧电流 仅 为负荷电流的基波分量 。显然，要使 谐波得到有效补偿，有源电力滤波器应 满足如下要求： 1）谐波电流检测器应能实时准 确的检测出负荷地电流 中的谐波分量 。 2）谐波电流发生器应能及时准 确地产生补偿电流 并注入电网。 目前，谐波电流检测普遍采用基 于瞬时无功理论的瞬时谐波电流检测方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 法，而电流发生器主回路则采用基于电 流跟踪控制的 PWM 逆变器。 （三）无源滤波器与有源电力滤 波器的优缺点比较 序号 项目 无源电力滤波器 有 源电力滤波器 1 工作原理 由 LC 等被动组件组 成,将其设计为某频率下级低阻抗,对相 应频率谐波电流进行分流,其行为模式为 提供被动式谐波电流旁路信道。 由电 力电子组件和 DSP 等构成的电能变换 设备,检测负载谐波电流并主动提供对应 的补偿电流,补偿后的源电流几乎为纯正 弦波,其行为模式为主动式电流源输出 2 谐波处理能力 只能滤除固定 次数的谐波 可动态滤除各次谐波 3 系统阻抗变化的影响 受系统 阻抗影响严重,存在谐波放大和共振的危 险 不受影响 4 频率变化的影响 谐振点偏移, 效果降低 不受影响 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 5 负载量增加的影响 可能超载 而损坏 无损坏之危险,谐波量大于补偿 能力时,仅发生补偿效果不足而已 6 负载变化对谐波补偿效果的影 响 滤波效果随负载的变化而变化 在各 种负载状况下,均可保持剩余谐波量低于 5% 7 复杂程度与造价 结构较简单, 造价较低 结构复杂,造价较高 六、谐波对无功功率补偿装置的 危害及防止措施 目前用户供电系统中广泛应用的 以并联电容器作为无功功率补偿的装置， 由于谐波的存在，使得其电容器，一方 面由于谐波阻抗小，系统高次谐波电压 在其中产生显著的高次谐波电流，造成 电容器过热，影响其寿命;另一方面，谐 波可能造成并联电容器与系统发生并联 谐振，引起系统谐波放大。以下就电容 器对谐波放大的原理及防止措施做详细 说明。 (一) 并联电容器如何对谐波放大 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 如图 3，为含无功功率补偿装置 及谐波源的供电系统简图，经过等值变 换后，图 4 为其等值电路图。 图 3 图 4 图中， 为系统等值电感， 为系 统等值电阻，C 为补偿电容器容量，I 为谐波源注入系统的 h 次谐波，I 为谐 波源注入电网的 h 次谐波。由等值电路 可推算出， =I ， 如令 ， 则 ，由该式可见，当 1 时，补偿电容器对谐波具有放大作用。 谐波放大的程度取决于 的大小，具体 如下图 5 说明。 图 5 电容器对落在 0 区间内的所有 谐波分量均有放大作用，尤其是对 附 近的谐波会有显著放大。通常，供电系 统等效电阻较电抗小许多，为简化分析， 略去电阻 R 不计。由式可以看出， 在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 处达到最大值的条件为 1- ，即 = 。上式表明， 为电 容器与系统等效电抗的并联谐振固有频 率。若将系统等效电感 L 用系统短路容 量 来表示，将电容 C 用电容器组容量 来表示，则上式可改写为 = ，式中 为基波角频率，令 =1，可以求出临界频率 为，上式中， 若忽略系统等效电阻 R，则近似有下式 所列关系: = = （二）谐波放大的防止与消除 1.并联电容器组的临界容量 对于补偿无功功率的并联电容 器组，首先应该检查是否会发生谐波放 大尤其是谐振的可能性，不 致引起供电系统谐波放大现象的 电容器组的最小容量称为临界容量。由 图 7-18 可知，电容器组不引起谐波放 大的条件为 ， 式中， -配电母线上系统三相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 短路容量（MVA）; -谐波源最低次谐波的次数 -不致引起谐波放大的并联电 容器组容量（Mvar ） 为避免谐波放大，按照上式求出 的电容器组临界容量通常远远超过补偿 无功功率所需要的电容器组容量。若不 增大电容器组的容量，即按实际无功补 偿要求选用电容器时，又要防止谐波放 大，可采用在电容器回路串联电抗器的 方法。 2.串联电抗器防止谐波放大 并联电容器之所以能够引起谐 波放大，在于电容器回路在谐波频率范 围内呈现出容性。若在电容器回路串接 一个电抗器，系统谐振频率 会向低频 方向移动至 ，如图 5。串联电抗后的系 统谐振频率为 = ，避开了谐振点。 从另外一个角度分析，通过选择电抗值 使电容器回路在最低次谐波频率下呈现 出感性，如图 7-19 所示，可能引起并 联谐振的 LC 回路消失，谐波放大被消 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 22 除。为此，电感量 L 应满足下式关系： 式中， -串联电抗器等效基波 电抗， = ; -并联电容器组等效基波容抗， = 考虑到电抗器和电容器的制造误 差，通常取： 对于 6 相整流装置， ，则可取 =（56）% ，对于含有三次谐波的