电能质量讲座第五讲谐波治理.pdf

专题讲座 低压电器 2007 10 现代建筑电气篇 程浩 忠 1962 男 教授 博士生导 师 主要从 事电能 质量 无功补偿 电 压稳定等方面的教 学和研究工作 电能质量 讲座 第五讲 谐波治理 程 浩 忠 上海交通大学 电气工程系 上海 200240 摘 要 电力系统谐波是影响电力系统安全 经济运行的重要因素之一 如何有 效地抑制谐波 保证电力系统的正常运行是广大电力用户亟待解决的问题 阐述了电 力系统的谐波治理方法 并对其原理进行了分析 从产生谐波的非线性负荷以及受危 害的电力设备和装置两个方面对谐波治理进行了详细介绍 关键词 谐波治理 非线性负荷 交流滤波器 有源滤波器 中图分类号 TM 71 文献标识码 A 文章编号 1001 5531 2007 10 0057 04 Lecture on Electrical Energy Quality V Harmonic Suppression CHENG Haozhong Depart ment of Electrical Engineering Shanghai JiaotongUniversity Shanghai 200240 China Abstract Har monic is an i mportant factorwhich influences the safety operation of power syste m Ho w to su press the har monic and assure the power system run nor mally are the users need to resolve quickly The measures and theory of the har monic suppressionwere introduced The har monic suppressionwere expounded in detail from two aspects one is the non linear load producing the har monic and another is the electrical equipments to be affect ed by the har monic Keywords har m onic suppression non linear load alternating current filter ACF active power fil ter APF 0 引 言 近年来 随着配电网中整流器 变频调速装 置 电弧炉 路灯启辉器 电气化铁道以及各种电 力电子设备的广泛应用 电网的谐波污染和低功 率因数问题日益严重 影响了供电的质量 已成为 电力系统的一大公害 由于谐波加剧了电网中电 压 电流波形畸变水平 故导致了电能质量的下 降 谐波的存在可能导致多种不良效应 如串联 并联谐振引起的过电压 过电流 机械振动 从而 使多种设备出现过热 绝缘老化 轴扭振等问题 另一方面 现代工业 商业 服务业及居民用户的 用电设备对电能质量提出了更高的要求 因此 谐波抑制和治理已成为近年来电力系统和电力用 户需要解决的热点问题 对谐波的治理应该从两方面来考虑 一是产 生谐波的非线性负荷 二是受危害的电力设备和 装置 这两个方面应该相互配合 统一协调 作为 一个整体来研究 采用技术 经济最合理 符合社 会发展和历史条件的方案来治理和消除谐波 1 减少谐波源的谐波含量 1 1 增加晶闸管变换装置脉冲数 对于整流 换流设备 增加晶闸管变换装置脉 冲数是降低谐波最基本的一种方法 其输出波形 如图 1所示 在正常对称情况下 换流装置产生 的谐波电流次数为 n mp 1 1 式中 m 从 1开始的任意正整数 p 换流装置的脉冲数 各次谐波电流的有效值为 In KnI1 2 57 低压电器 2007 10 现代建筑电气篇 专题讲座 式中 Kn 谐波系数 I1 基波电流有效值 图 1 增加晶闸管变换装置脉冲数的输出波形 一般 Kn 1 n 因此 得 In I1 n 3 由式 2 3 和图 1可知 整流 换流装置的 脉冲数愈多 谐波电流的次数愈高 即不产生较低 次谐波 如 p 12时 只产生 11次和 13次以上谐 波电流 同时 由于谐波电流与谐波次数成反 比 故谐波次数愈高 谐波电流值愈小 可见 增 加换流装置脉冲数 可消除较低次谐波 减少产生 的谐波电流 增加换流装置脉冲数的有效方法是利用 2台 绕组接法不同 Y y和 Y d 的变压器二次侧电压 相差为 30 的原理 将 2台三相 6脉冲全波换流器 分别接入上述 2台不同接线方式的变压器 这 样 就将两组 6脉冲换流器变成了 12脉冲换流 器 由于 12脉冲换流器不产生 5次和 7次谐波 因此也就不需再投资安装 5次和 7次滤波器 当然 如果采用 24脉冲换流器 产生的谐波 电流就会更少 目前 国际上有些国家正在研制 产生少量谐波电流的换流器 基本原理就是在不 过多增加换流变压器技术复杂程度的前提下 把 三相 6脉冲全波换流器变成 36脉冲换流器 1 2 改变供电系统运行方式 适当改变供电系统的运行方式可达到抑制谐 波影响的目的 尽可能地保持三相负荷电流的平 衡 可以减少 mp 1次以外的非理论高次谐波电 流 运行中需尽量减少变压器空载 避免运行电 压过高 改善电网电压质量 在系统参数不当 可 能造成谐波共振时 实测 采用倒换系统错开共 振点或改变无功补偿容量的办法来消除谐波共 振 在存在较大容量的谐波源负荷的情况下 可 采用提高供电电压等级或采用专线供电的方法 例如专用 1台主变压器对该条线路进行供电等 2 安装滤波器 2 1 安装交流滤波器 在谐波源设备已经确定的情况下 防止谐波 电流注入电网的有效措施是在谐波源处就近安装 滤波器 靠近谐波源吸收谐波电流是安装滤波器 的基本原则 这是因为谐波电流进入高压电网后 再采取措施 无论是在技术上还是经济上都是不 合理的 若谐波源 SH由 220 kV区域变电站的 110 kV 母线输送电至 110 kV变电站 再降压为 10 kV供 电 则安装滤波器的地点有如下 3种方案 如图 2 所示 图 2 安装滤波器的 3种方案 方案 将滤波器安装于 110 kV变电站 10 kV母线上 方案 将滤波器安装于 220 kV区域变 电站 110 kV母线上 方案 将滤波器安装于 220 kV区域变 电站 10 kV母线上 方案 滤波器和谐波源 SH之间没有阻抗联 系 可直接吸收谐波源 SH产生的谐波电流 此方 案最为有效 方案 需要 110 k V的滤波装置和开关等控 制设备 不仅技术要求高 而且增加造价 方案 在技术上更加不合理 原因是 由于 In为恒定谐波电流 因此可不计变压器 110 kV侧 阻抗的影响 谐波等效电路如图 3所示 58 专题讲座 低压电器 2007 10 现代建筑电气篇 图 3 谐波等效电路图 图 3中 经变压器 220 k V侧注入电网的谐波 电流 ISn和经变压器 110 kV侧进入滤波器的谐波 电流 ICn的关系如下 ISn ICn nXT3 nXL XC n nXT1 nXS 4 式中 XT1 变压器 220 kV侧的基波等值阻抗 XT3 变压器 10 kV侧的基波等值阻抗 XS 系统基波阻抗 XL 滤波器的基波感抗 XC 滤波器的基波容抗 在 110 kV侧 滤波器的失谐度不能很小 即 Q 值较高 故 nXL XC n 即 nXL XC n 0 5 由于系统阻抗 XS很小 而变压器阻抗 XT3 XT1 因此 ISn ICn nXT3 nXT1 一般地 变压器阻抗 XT3 1 2X T1 因此 ISn ICn 1 2 即 ISn 1 2 ICn 6 在这种情况下 由于滤波器支路存在变压器 阻抗 XT3 因此流入系统的谐波电流仍然很大 可见 由于滤波器安装地点选择不当 滤波器不能 起到应有的滤波作用 由以上 3种方案的分析比较可知 只有在谐 波源处就近安装滤波器 即方案 谐波源与滤波 器之间没有阻抗联系 才是最有效的 2 2 安装有源滤波器 安装交流滤波器的实质是组成一个对某次谐 波为低阻抗的谐振回路来吸收负荷所产生的高次 谐波电流 因此 它是一种无源滤波器 目前许多 国家正在研制利用时域补偿原理的有源滤波器 这种滤波器的优点是能做到适时补偿且不增加电 网的容性元件 但造价较高 设置有源滤波器是 近年来采用的一种较为先进的抑制谐波的方法 有源滤波器由具有自换向能力的半导体元件 GTO和直流电流源组成 采用 PWM PulseW idth Modulation 控制方式 通过 GTO的导通调制出和 负荷产生的谐波电流大小相等 极性相反的输出 电流 与谐波电流相抵消 从而达到滤波效果 其 滤波原理和基本电路分别如图 4和图 5所示 图 4中 i1为基波电流 in为高次谐波电流 图 4 有源滤波器的滤波原理 图 5 有源滤波器的基本回路 3 相数倍增法 电力系统中接入的非线性器件 有许多往往 正是利用非线性来达到技术上的某种目的 因此 不能用降低甚至消除非线性来消除谐波 高次谐 波都是一些正弦交流量 其大小和方向与相位有 关 因此可设法让次数相同 相位相反的谐波相互 抵消 经分析推理证明 对于 2组三相系统 如果 它们的相位相差 30 时 可以消除 5 7 17 19 29 59 低压电器 2007 10 现代建筑电气篇 专题讲座 31次谐波 相位相差 15 的 4组三相系统 可以消 除 11 13 35 37次等谐波 因此 用 2个整流桥 组成的换流器分别接在有相位相差 30 的三相电 路上 组成 12脉冲换流器 可以消除 5 7 17 19 29 31次谐波 这样总的谐波量可由 6脉冲换流 器时的 0 246I1降到 0 117I1 如果组成 24脉冲 换流器 则谐波成分可降为 0 053I1 以上方法就 是相数倍增法 相数倍增法也可用普通换流变压器配合适当 的移相变压器组成 12相 18相 24相 36相等换 流装置 这时移相变压器使各组换流装置获得 30 20 15 和 10 等的相位移 这种方式虽然克 服了换流变压器复杂的困难 但增加了移相变压 器的费用 这在经济性方面是否合理应进行具体 的分析比较 可见 相数倍增法只有在各组整流 器的负载完全一致时才能有效消除谐波 4 结 语 本文从电力系统中产生谐波的非线性负荷和 受危害的电力设备和装置两个方面对电力系统谐 波治理进行了阐述与分析 得出了以下一些结论 1 在谐波源处就近安装滤波器 是在谐波 源设备已确定的情况下防止谐波电流注入电网的 有效措施 靠近谐波源吸收谐波电流是安装滤波 器的基本原则 与交流滤波器相比 有源滤波器 能做到适时补偿 且不增加电网的容性元件 2 可对整流装置和变流变压器实施相数倍 增法 对某次谐波进行抑制 相数倍增法只有在各 组整流器的负载完全一致时才能有效消除谐波 3 要合理选择接入供电系统中的并联电容 器的大小 如果错误地投入了并联电容器 在电 力系统中会产生更大的高次谐波畸变 这种后果 是由于电容器投入阻抗为感性的电力系统时 形 成在 k次谐波频率下的谐波放大作用和共振现象 所造成的 参 考 文 献 1 DURANTE L G GHOSH P K A ctive PowerM eas ure ment in Nonsinusoidal Environments J IEEE Transaction on Po wer Syste ms 2000 15 3 1142 1147 2 I EEE Power Syste m Har monicsW orking G roup Re port Power Syste m Har monic R I EEE Tutorial Course 1984 1 157 3 GB T 14549 1993 电 能质 量 公用 电网 谐波 S 4 程浩忠 艾芊 朱子述 等 电能质量 M 北京 清华大学出版社 2006 5 吴竞昌 电力系统谐波 M 北京 水利电力出版 社 1988 6 西南电力试验研究所 电力系统高次谐波资料汇 编 G 1987 7 西南电业管理局试验研究所 电力系统高次谐波 译文专辑 1 2 3 4 G 1984 1985 1986 1987 8 北京电机工程学会供用电专业委员会 电网高次 谐波技术 讲义 G 1984 9 曲涛 电力系统谐波的限值及其管理 J 供用 电 1988 4 4 7 10 刘怀斌 硅整流所电力设计 M 北京 冶金工业 出版社 1983 11 浙江大学发电教研组直流输电科研组 直流输电 M 北京 电力工业出版社 1982 12 SD 126 1984 电力系统谐波管理暂行规定 S 收稿日期 2007 03 11 上接第 32页 项 VPN业务的扩展 需配置双引擎 双电源及防 火墙模块 5 结 语 区县级 三网一库 的设计与实