电力系统谐波治理及滤波技术

电力系统谐波治理及滤波技术我们知道，在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重，影响了供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。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。谐波及其起源所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。周期为T=2n/⑴的非正弦电压u(⑴t),在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形式的傅里叶级数：式中频率为n⑴(n=2,3...)的项即为谐波项，通常也称之为高次谐波。应该注意，电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形，电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴；谐波与不是工频整倍数的次谐波(频率低于工频基波频率的分量)和分数谐波(频率非基波频率整倍数的分数)有定义上的区别。谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备时，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，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入70年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从而引起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如电气与电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。如国内某轧钢厂的4000kW交流变频同步电机的调速系统，在某种工况下5次谐波含量达到15．88％，7次谐波含量达7．9％。另外，低于电网频率的次谐波和大量的分数次谐波，使电流总谐波畸变率最高时可达25．87％，电压总谐波畸变率最高时可达6．19％。远高于国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》，可见，谐波对电网的污染是相当严重的。高次谐波的危害谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作，影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。谐波的检测和分析方法为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流，首先必须对含有的谐波成分有精确的认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波分量。现有的谐波电流检测和分析方法主要基于以下几种原理：带阻滤波法这是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器,将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要,一般不用。带通选频法和FFT变换法带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号(电压或电流)进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。这两种方法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响大，且没有自适应能力;后一种检测方法其优点是可同时测量多个回路，能自动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。(3)瞬时空间矢量法1983年日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论，即"p—q”理论，对电力谐波量的检测做出了极大的贡献，由于解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件就能实现抑制谐波和无功补偿等问题,使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究走向工作应用。根据该理论，可以得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q,p和q中都含有直流分量和交流分量，即：式中分别为p、q的直流分量，即为对应的交流分量。由可得被检测电流的基波分量，将基波分量与总电流相减即得相应的谐波电流。因为该方法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。所以，该方法只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。90年代提出的“d—q"理论进一步发展和完善了“p—q"理论，该理论提出的检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路谐波和基波负序电流的检测。(4)自适应检测法该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。在此基础上，又有学者提出一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。(5)小波变换检测法对于一般的谐波检测，如电力部门出于管理而检测，需要获得的是各次谐波的含量，而对于谐波的时间则不关心，因此，傅里叶变换就满足要求。然而在对谐波电流进行动态抑制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对于这一点，傅里叶变换无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。从以上检测方法看，基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。基于神经元的自适应谐波电流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测方法能否应用于工程实际，还有待进一步验证。谐波抑制方法在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：(1)降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：增加整流器的脉动数整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n=Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In=l1/n,故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18．5％，7次谐波电流为基波电流的12％，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4．5％，7次谐波电流下降到基波电流的3％。脉宽调制法采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。在PWM逆变器中，输出波形是周期性的，且每半波和1/4波都是对称的，幅值为±1,令第一个1/4周期中开关角为Yi(i=1，2，3……m)，且0<Y1<y2<••••••<Ym<n/2。假定yO=O,Ym+1=n/2,在(0，n)内开关角a=0,y1,y2，••••••，Ym，n—Ym,......,n—y2,n—y1。PWM波形按傅里叶级数展开，得由式可知，若要消除n次谐波，只需令bn=0,得到的解即为消除n次谐波的开关角a值。三相整流变压器采用Y—d(Y/A)或D、Y(A/Y)的接线这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。(2)在谐波源处吸收谐波电流这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：无源滤波器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，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。由于具有投资少、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。有源滤波器早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF(ActivePowerFilter)的概念，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。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。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。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。④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。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。（3）改善供电环境选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。小结随着我国电能质量治理工作的深入开展，基于瞬时无功功率理论的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题,是电力企业当前面临的一大课题。但是要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，还必须依靠全社会的努力，在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。随着塑料制品的广泛应用及其产量的迅猛增长，塑料机械已成为建材、包装、电子电气、汽车、石化、机械等行业的重要技术装备，需求量激增，塑机行业已成为21世纪我国经济发展中的朝阳产业随着我国塑料工业的发展，塑料机械工业近几年来的增长率都在30％左右，是增长最快的产业之一。2001年我国塑机行业工业总产值8多亿元，利润6亿元左右，利润率增长远高于工业总产值的增长。2001年塑机工业总产值为1995年的2.3倍，而利润率则为1995年的4.5倍。在全国机械工业的194个行业中，塑机行业的主要经济指标均居前列。塑料加工工业良好的发展前景仍将是我国塑料机械制造工业高速发展的源动力，预计2001-2010年，我国对塑料机械需求量的年均增长率为6%左右，预计至2010年为145亿元。也就是说，我国塑机行业的发展潜力很大，后劲很足。在我国塑料工业长远规划中，2000-2005年塑料制品的年均增长率约为10%，2006-2015年的年均增长率将达到8%。即到2005年塑料制品的产量将达到2500万吨，预计2015年塑料制品总产量翻一番，达到5000万吨。在世界能源日益枯竭的今天，节能早已被人们放在突出位置。与世界上一些能源丰富的国家相中国是一个能源短缺国。然而我们在能源特别是能源的最主要的利用形式电力方面的利用率却很低，存在触目惊心的浪费现象。在新产品开发、新设备研制以及原有设备的改造上，必须将能耗作为重要指标予以关注。塑胶行业是21世纪的朝阳行业。然而由于其产品主要是通过加热，加压等物理方法生产，从而决定了它的生产方式的高能耗特点。对于高能耗的塑胶制品设备，如何节电，已成为提升产品竞争力的一个重要手段。塑料机械是塑料工业发展的重要支柱，它为塑料行业提供了先进的技术装备，它的发展是塑料工业发展的基础，也受塑料工业发展的影响。从世界范围看，塑料机械的三大类品种依次是注塑机、挤出机：挤出生产线和吹塑机，它们占了塑料机械总产值的80%以上，其中注塑机占这三类机械总和的一半以上。我们从切身经历中谈谈变频器在塑胶机械中的应用，从其各自特点及现场应用作一个简介。1、注塑机专用节能系统简介要作好注塑机节能系统首先从注塑说起。注塑过程一般分为以下步骤：锁模T注射保压T熔胶加料T冷却定型T开模T顶针。每一动作的完成都有时间、压力、速度、位置等几个参数的精妙配合，也就是说在某一位置的位移都有相应的压力和速度，且在不同的位置和时间内其压力和速度都是可变的。同时每一动作完成后发出终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才发出执行下一动作的指令。此外注塑机系统本身还存在一些弱点：第一、注塑机动作内部有着十分剧烈的突变过程：如锁模过程中，快速锁模T慢速低压护模T高压高速锁模的工况突变就很剧烈的；又如注射过程中，慢速注射T快速T慢速T快速T慢速的射胶过程工况也是很剧烈的，对机器的冲击都十分的大，影响了整个注塑系统的寿命。第二、动作油路制动达不到设计的精度，油路制动的开闭取决于电磁阀，而电磁阀的动作又取决于过程控制器提供的电压和电流，因大多数注塑机都没有死循环控制，阀的开闭精度就会大打折扣，尤其是阀的开闭程度在10%以下和90%以上时，动作的重复精度和稳定性都是极差的，某一动作在此状态下被执行很难保证其稳定性和重复精度。第三、执行动作的油缸本身有油封破损，有内泄现象，执行动作的可靠性和稳定性不高。这是由于多数时间内，负载的实际耗油量均小于油泵的供油量，造成高压状态下的液压油部分经溢流阀、比例阀等液压元件溢出。该溢流部分不仅未作任何有用功，而且产生热量，造成液压油发热，既耗能，又有害。采用注塑机节能系统后，就能很好的解决这些问题，既提高了整个注塑系统的精度和稳定性，减少了巨大的机械冲击，延长了系统使用寿命，又能够节约大量的电能。2、 挤出机的变频应用简介：如塑料制管机生产线主要是塑料挤出机及冷却槽，牵引机三部份组成。在没有改造前挤出机、牵引机都是交流滑差电动机传动，存在耗电量大，传动效率低，速度精度差，速度不够稳定，因此影响产品的质量，需要进行技术改造。经我公司工程师现场调查，我们认为采用变频调速能解决上述的弊病。经我公司变频改造后，调速速范围，起动特性，动态响应，调节精度，输出特性，经济指标和操作监视方便等各个方面；都优于电磁调速。此外，变频调速还具有保护功能完善，通用性强，维护工作量小，运行安全可靠，电耗小，设备寿命长等优点。转可以从零平稳起步升速，并能选择升速和降速曲线，节能显著，深得操作人员和维修人员好评。可以值得在类似塑料加工机上推广，例造粒机，制管机，拌料机等上的应用。3、 液压塑胶中空成型机变频简介：基于多年生产现场经验，作者在实践中对各种不同类型的塑胶中空成型机的性能作了深入的调查研究，并由此有针对性地对各种档次的中空成型机进行了局部或整机的改造，提出了变频式液压塑胶中空成型机的构想。3.1塑胶中空成型机工作原理及特性根据驱动方式的不同，塑胶中空成型机可以分为气动式和液压式两类。无论采用哪种方式，都是将模具送至接胶位，接取胶胚后再回到吹制位，通过吹针将5-6Mpa的压缩空气引入模腔将胶胚吹制成形。PLC控制气动单/双工位塑胶中空成型机采用了全气动驱动，反应快，效率高，但正是由于采用了气动方式，根据公式F=P・S。其中F为锁模力，P为系统工作气压，S为活塞有效面积。由此可知，当系统工作压力为一定值时，锁模力与活塞有效面积成正比。一旦确定了缸径，锁模力也就确定了。以缸径150mm为例，在6MPa的工作压力下，只能产生10.38KN的力。所以此类机型仅适合500ml以下的瓶子。同时需要指出的是，由于采用全气动，间接增加了用风量，若将风泵的耗电量及其维修保养费折算进去，其产品单耗是相当高的。由上可知，若要生产500ml以上容量的容器，只有采用液压油缸的合模系统。利用液压系统可以产生足够的压力，保证各种大容积产品的生产及质量。但当今最先进的液压伺服系统价格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例压力流量控制阀售价在7000元左右，一台行程仅为14mm、缸径120mm的伺服油缸售价过万元。尽管采用比例式压力、流量控制系统价格不菲，且液压系统耗电量是整机用电量的30%左右，但其优良的动态特性足以保证产品的质量稳定，所以依然获得了广泛应用［1、2］。根据测算，除外部提供的供风系统外，整机能源消耗，以挤出机螺杆直径为70mm的液压双工位机为例，在以PE（聚氯乙烯）为原料生产4500ml容器时，电热加温占整机耗电量的22.6%，挤出机运料系统马达为11kW，约占53%，液压系统是7.5kW马达，约占24.4%。在液压单工位机中，当生产280ml容积的PE料产品时，液压系统耗电占整机耗电量的41.35%,电热占42.33％,挤出机运料系统（已改变频驱动）耗电占16.32%。目前绝大多数中空成