电力系统谐波及其抑制技术研究

电力系统谐波及其抑制技术研究电力系统谐波及其抑制技术研究 摘要 随着非线性电力设备的广泛应用 电力系统中谐波问题越来越严重 谐 波一方面造成一些电力设备损坏 加速绝缘老化 另一方面也影响计算机系统 电视等电子设备正常工作 直接扰乱了人们正常生活 谐波问题已引起人们高 度重视 文章首先对谐波进行分析以及其产生危害 然后对其抑制技术进行了 讨论 关键词 电力系统 谐波 危害 抑制 伴随电力电子技术的快速发展 大量非线性负荷 如电弧炉 电气化铁道 整流负荷 变频调速装置等 应用越来越广泛 随着大量非线性负荷接入电力系统 在系统电压作用 下 将产生大量的谐波成分 使供电电流产生畸变 当谐波电流注入到电力系统 将在系 统阻抗上产生谐波电压 引起电网电压畸变 最终造成电力系统谐波污染 电力系统谐波 污染不仅影响电能质量 还可能威胁整个电力系统的安全稳定运行 因此 分析 研究电 力系统的谐波问题 进而采取相应的抑制措施 是一项非常紧要的工作 一 谐波概述及其研究背景意义 电力系统中 理论上电压和电流波形是工频下的正弦波 但实际的波形总有不同的非 正弦畸变 谐波的概念来自研究正弦波形畸变的数学方法 国际上对谐波公认的定义是 谐波是一个周期电气量的正弦波分量 也可以说谐波为周期分量的傅里叶级数中大于 1 的 h 次分量 其频率为基波频率的整数倍 按照定义 谐波次数一定是正整数 不能出现 非整数次谐波的情况 以我国为例 我国电力系统额定频率是 50Hz 那么 2 次谐波就为 100Hz 3 次谐波就为 150Hz 以此类推 20 世纪 80 年代以来 电力电子学已逐渐成为一门新兴交叉边缘科学 与此相对应的 现代电力电子技术也得到迅速发展 但由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷 由 其造成的谐波污染对电力系统安全 稳定 经济运行构成潜在的威胁 给周围电气环境带 来极大影响 被公认为电网的一大公害 因此 电力系统谐波及其治理的研究已经严峻地 摆在了电力科技工作者面前 在传统电力系统中正弦波形被畸变的现象早已存在 由于其功率相对不大 因而危害 并不明显 可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求 具体表现为借助电力电子装置 引入功率变换技术 对功率电子的流动进行通断控制 以满足用户对频率 电压 电流 波形及相数的要求 还需注意到 随着超大容量的电力电子装置的使用 现代电力系统正 试图将其快速 实时可控性应用于电网的电能输送及运行 正在出现着像动态无功补偿 ASVG STATCOM 有源电力滤波 APE 可控移想装置 TCPA 和统一潮流控制 UPFC 等独具电力领域特色的应用 二 谐波的产生 谐波的产生来自于3 个方面 发电源质量不高 输配电系统 用电设备 1 电源本身谐波 由于发电机制造工艺的问题 致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波 因此 产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势 即所产生的电流稍偏离正弦电流 当然 几 个这样的电源并网时 总电源的电流也将偏离正弦波 2 由非线性负载所致 2 1 非线性负载 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载 当电流流经线性负载时 负载上电流与施 加电压呈线性关系 而电流流经非线性负载时 则负载上电流为非正弦电波 即产生了谐 波 2 2 主要非线性负载装置 2 2 1 开关电源的高次谐波 开关电源由五部分组成 一次整流 开关振荡回路 二次整流 负载和控制 这几个 部分产生的噪声不完全一样 这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰 也可以通过电 源产生传导干扰 2 2 2 变压器空载合闸涌流产生谐波 铁心中磁通变化时 会产生 倍额定电流的涌流 由于线圈电阻的存在 变压 器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定 所产生的励磁涌流所含的谐波成份以 次谐波为主 2 2 3 单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰 电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备 调速装置内电力电 子器件对过电压特别敏感 因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸 由于与中压母线相连的电容器要经常操作 这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生 2 2 4 电压互感器铁磁谐振过电压 在我国 等级的中性点不接地配电网中 为了监视对地绝缘 一般 采用三相五柱式电压互感器 在正常情况下 三相对地电压是平衡的 但是由于发生单相 接地故障等原因 会导致三相对地电压平衡的破坏 还有可能使电压互感器线圈电感 和 系统对地电容 在参数上配合 而产生谐振过电压 2 2 5 整流器和逆变器产生的谐波电压 电流 整流器的作用将交流电转成直流电 而逆变器是将直流电转变成交流电 其电路中的 二极管视为理想二极管 即正向阻抗接近零 反向阻抗无穷大 因此 只允许电流单方向 流动 从整流器的输出端看 每相电流波形为矩形波 不是正弦波 利用傅氏级数展开式 展开周期的矩形波形 可以看到除了工频正弦波 基波 外 还叠加了一系列高 次波形 谐波 应该说电动机采用变频器进行调速 可以高水平完成调速外 也可以节 省大量电能 近 但如前面分析 变频调速过程中要产生高次谐波 即形成高次谐 波污染 造成厂区的电视 音响系统不能正常工作 还要干扰二次仪表 压力 流量 可编程控制器及智能控制器正常工作 谐波还要使变压器 电动机 电容器及电抗器产生 过热 2 2 6 电弧炉运行引起电压波动 随着冶炼工业的发展 当然会更多地使用电弧炉 这是一个重要负荷 运行时 电极 和金属碎粒之间会发生频繁断路 而在熔化期间 电源两相短路 一旦熔化金属从电极上 落下 电弧熄灭 电源又开路 因此 可以说冶炼过程是频繁的短路 开路 短路的过程 会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁 一般电压波动频率是 几十 这种 谐波是以 次谐波为主 三 谐波的危害 1 增加了发 输 供和用电设备的附加损耗 使设备过热 降低 设备的效率和利用率 由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍 高频率电流过导体时 因集肤效应的作用 使 导体对谐波电流的有效电阻增加 从而增加了设备的功率损耗 使导体的发热严重 1 1 对旋转电机的影响 谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩 由于集肤效应 磁带 涡流等 随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加 在供电系统中 用 户的电动机负荷约占整个负荷的 85 左右 因此 谐波使电力用户电动机附加损耗增加的 影响最为显著 由于电动机的出力一般不能按发热情况来进行调整 由谐波引起电动机的 发热效应是按它能随的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的 试验表明 在额定 出力下持续承受力 3 额定电压和负序电压时 电动机的绝缘寿命要减少一半 因此 国际 上一般建议在持续工作的条件下 电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的 2 谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大 但谐波会产生显著的脉冲 转矩 可能出现电机转轴震动的问题 这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振 并使汽轮机叶产生疲劳循环 1 2 对变压器的影响 谐波电流使变压器的损耗增加 特别是 3 次及其倍数次谐波对三角连接的变压器会在 其绕组中形成环流 使绕组过热 对全星形连接的变压器 当绕组中性点接地 而该侧电 网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时 可能形成 3 次谐波谐振 使变压器 附加损耗增加 1 3 对输电线路的影响 由于输电线路阻抗的频率特性 线路电阻随着频率的升高而增加 在集肤效应的作用 下 谐波电流使输电线路的附加损耗增加 在供应电网的损耗中 变压器和输电线路的损 耗占了大部分 所以谐波使电网网损增大 谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大 导致中性线过载 输电线路存在着分布的线路电感和对地电容 它们与产生谐波的设备组 成串联回路或并联回路时 在一定的参数配合条件下 会发生串联谐振或并联谐振 一般 情况下 并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大 当注入电 网的谐波的上频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时 会激励电感 电容产生部分谐振 形成谐波放大 在这种情况下 谐波电压升高 谐波电流增大将会引起继点保护装置出现 误动 以至损坏设备 与此同时还可以产生相当大的谐波网损 对于电力电缆线路 由于 电缆的对地电容比架空线路约大 10 20 倍 而感抗约架空线路的 1 2 1 3 因此更容易激 励出较大的谐波振和谐波放大 造成绝缘击穿的事故 1 4 对电力电容器的影响 随着谐波电压的增高 会加速电容器的老化 使电容器的损耗系数增大 附加损耗增 加 从而容易发生故障和缩短电容器的寿命 另一方面 电容器的电容与电网的感抗组的 谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分谐波分量的频率时 就会产生谐波放大 使 得电容器因过热 过电压等而不能正常运行 甚至损坏 2 影响继电和自动装置工作的可靠性 谐波对电力系统中以负序 基波 量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重 这是由于这负序 基波 量整定的保护装置整定值小 灵敏度高 如果在负序基础上再叠 加上谐波的干扰 如电气化铁道 电弧炉等谐波源还是负序源 则会引起发电机负序电流 保护误动 若误动引起跳闸则后果严重 变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序 电压保护误动 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护 高 频保护 故障录波器 自动准同期装置等发生误动 严重威胁电力系统的安全进行 3 使测量和计量仪器的指示和计量不准确 由于电力计量装置都是按 50Hz 的标准的正弦波设计的 当供电电压或负荷电流中有谐 波成分时 会影响感应式电能表的正常工作 在有谐波源的情况下 谐波源用户处的电能 表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能 从而谐波源虽然污染了电网 却反而少交电费 而与此同时 在线性负荷用户处 电能表记录的是该用户吸收的基波电 能及部分的谐波电能 这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏 而且还要多交电费 电 子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户 4 干扰通信系统的工作 电力线路上流过的 3 5 7 11 等幅值较大的奇次低频谐波通过磁场耦合 在邻近电 力线的通信线路中产生干扰电压 干扰通信系统的工作 影响通信线路通话的清晰度 而 且在谐波和基波的共同作用下 触发电话铃 甚至在极端情况下 还会威胁通信设备和人 员的安全 另外高压直流域 HVDC 换流站换相过程中产生的电磁噪声 3 10KHZ 会干扰 电力载波通信的正常工作 并利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失损 影响电网运 行的安全 5对用电设备的影响 谐波会使电视机 计算机的图形畸变 画面亮度发生变化 并使机内的元件出现过热 使计算机及数据处理系统出现错误 对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器 的荧光灯及汞灯来说 会因为在一定参数的配合下 形成某次谐波频率下的谐振 使镇流 器或电容器因过热而损坏 对于采用晶闸管的变速装置 谐波可能使晶闸管误动作 或使 控制回路误触发 四 谐波抑制措施及技术 1 受端治理 从受到谐波影响的设备或系统出发 提高设备或系统的抗谐波干扰能力 1 1 改善供电环境 选择合理的供电方式 将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电 可以减少谐波对系统或其他 设备的影响 这些必须在电网规划和设计时考虑 保持负荷的三相平衡 有助于减少 3 次谐波 对谐波源负荷由专门的线路供电 减少谐波对其他负荷的影响 有助于集中抑制 和消除谐波 1 2 避免电容器对谐波放大 改变电容器的安装位置 限定电容器组的投切容量 改变电容器的串联电抗器 将电 容器组的某些支路改为滤波器 1 3 减少发电机谐波电动势畸变率 减少谐波电动势的措施 同步电机采用星型连接 凸极同步电动机采用适当极靴宽度和不均匀气隙长度短距绕 组 增加每极每相槽数 水轮发电机等多极电机 转子励磁绕组常采用分数槽绕组 实现 了极对与极对之间的分布 减少谐波的产生 2 主动治理 从谐波源本身出发 使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波 2 1 增加整流相数 由谐波产生的机理可以知道 如果整流相数越大 网侧电流谐波成分将越少 最终电 流波形将更接近于正弦波 以三相桥式整流电路为例 其整流电流中只含有n次奇次谐波 但高次谐波的幅值只有基波幅值的1 n 整流相数增加对谐波的影响减少 但是 整流相数 增加会相应提高设备成本 因此 一般工程上6次或12次整流就已足够 2 2 波形叠加法 逆变器输出端的电压谐波严重地影响了DC AC 变换器的应用 但如果用两台逆变器输 出的电压在副边叠加 使两台逆变器的输出波形每半周内都保持60 间隙 然后第二台逆 变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移36 这样第一台逆变器的输出波形中的五 次谐波和第二台逆变器输出波形中的五次谐波的相位差为180 五次谐波在变压器副边互 相抵消 达到了同时消除三次和五次谐波的目的 逆变器输出电压波形接近于正弦波 2 3 脉宽调制法 脉宽调制法是指在所需的频率周期内 将直流电压调制成等幅不等宽的一系列交流电 压脉冲 从而达到抑制谐波的目的 对已经产生的谐波 除了可以改装电力电子装置外 现场中抑制谐波的另一类方法就 是使用滤波器 即在电力电子装置的交流侧利用无源滤波器或电力有源滤波器对谐波电流 分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿 3 被动治理 外加滤波器 阻碍谐波源产生的谐波注入电网 或者阻碍电力系统的谐波流入负载端 3 1 LC 无源滤波法 LC无源滤波器是一种最常用的谐波补偿装置 它是利用LC谐振回路消除向电网注入的 谐波电流 其基本工作原理是当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时 则 可将该次谐波电流滤除 阻止其进入电网 显然 如果设置多个不同谐振频率的