电力网络谐波治理

【摘 要】随着电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中应用日益广泛,使得谐波问题日益严重,谐波成为影响电能质量的主要因素,由谐波造成的电能损耗也相应增加,这对电力系统和用户造成了一系列危害.本文从两个方面着重分析了谐波对电网的危害,并提出了相应的谐波治理方法.

【关 键 词】电力系统电网谐波电能质量谐波治理

随着电力电子技术的飞速发展,谐波的危害日益严重,谐波事故不断发生,对电力设备、电力用户和通信线路产生了诸多有害影响.[1-2]另一方面,现代用电设备对电能质量更加敏感,对供电质量提出了更高的要求,所以谐波研究和治理越来越受到人们的重视[3-4].

1谐波的基本概念

国际通用的定义谐波为：频率是整数倍个基波频率,并且是一个波形是正弦波的电气量的一个周期的正分量.

用谐波频率除以基波频率所得的整数即为谐波次数.一般用A表示.

上述定义得出谐波次数是一个整数,如我国电力系统的额定频率为50Hz,则基波频率为50Hz,二次谐波频率为100Hz,三次谐波频率为150Hz.

2谐波对电网的影响

2.1谐波对供电网的影响

（1）增加线路的损耗.

电网中的线路损耗有一部分是电网线路中有谐波电流引起的损耗.一般来说,线路中的谐波电流要比线路中的基波电流小很多,但是由于谐波频率比基波电流的频率高,这就导致了在线路集肤效应下,基波电阻比谐波电阻小很多,所以,在线路有谐波的情况下,其线路附加损耗也会增大.在采用电缆的电力系统中,谐波不但会引起上述的线路附加损耗外,还会导致系统出现尖峰电压波形,而尖峰电压波形则会使电缆老化加快,电缆寿命减少.一般情况下,谐波对电缆造成的危害与电缆额定电压有关,其值越高危害就会越大.在采用架空线路的电力系统中,由谐波引起的尖峰电压会产生电晕,从而加大线路的电晕损耗.

（2）对线路的运行稳定性造成影响.

电力系统中的供配电线路与变压器的检测保护通常都是采用继电器感应式、继电器电磁式和晶体管继电器来保护线路和设备在故障情况下的安全.继电器感应式和继电器磁电式会受电网谐波的影响而勿动作,从而不能起到有效而全面的保护.

（3）影响电网的质量.

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,相同频率的谐波电压与谐波电流会导致相同频率的谐波有功和无功功率,从而使电网的电压下降,导致电网的容量的浪费.

2.2谐波对配电网的影响

（1）对变压器的影响.

包含了涡流损耗、杂散损耗和电阻损耗的变压器铜损都会因为电网中的谐波而增大.特别是3次及奇倍数谐波会形成环流在三角形连接的变压器中,这使得变压器绕组温度变高造成过热,而对于中性点接地的星形连接的变压器,当电网中有较大的分布电容时,当谐波存在时会在电网中形成谐振增加了变压器的附加损耗.

（2）对配电线路的影响.

线路阻抗随着频率的升高而增加,谐波电流使线路的附加损耗增加,而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗,所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素.线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路,在一定的参数条件下,会发生串联谐振或并联谐振,而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大.

（3）对低压开关设备的危害.

对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器,由于导体的趋肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器

（4）对弱电系统设备的干扰.

谐波通过传导方式、电磁感应和静电感应耦合到带有有线电视、楼与自动化、报警等弱点设备系统中,对系统产生干扰.

3谐波的治理

目前解决谐波问题的思路有两条[3]：

被动思路,在系统中装设补偿谐波的装置,主要包括对各类谐波源都适用的无源滤波和有源滤波两类；主动思路,对含有主要谐波源设备的系统中,对产生谐波的设备进行改造,使其降低谐波的产生提高设备的功率因数.

（1）主动型的变流器谐波抑制方案.

1）多重化方法.对于变流器容量较大时,选择叠加对个方波来抵消低次谐波,叠加后的波形是阶梯波,这样就更接近于正弦波.当叠加的方波数越多时,叠加后的结果更接近正弦波.所以,多重化方法更加适用于容量大的系统.当PWM技术与多重化方法配合使用时可取得更为理想的结果.2）多脉整流及准多脉整流.增加变流装置一个周期的脉动数,可以有效地消除幅值很大的低次特征谐波.理想情况下,对于P个脉动的变流器,它产生的特征次谐波为A等于KP土1（K为正整数）,A次谐波电流与基波电流之比为l/A,所以增加装置的脉动数可以使最低次谐波次数升高,幅值减小.例如对于6脉动变流装置,最低次特征谐波为5次,5次谐波电流与基波电流之比为1/5；当脉动数增为12时,最低次征谐波为11次,与基波电流之比为l/11.3）脉宽调制（PWM）技术.在小功率系统中,一般利用校正功率因数技术来减小系统中的谐波校正功率因数技术采用的是频率较高的PWM调制方法,该方法不需要加装工频的变压器,但增加20%的设备成本.

高功率因数整流器主要采用PWM整流技术.为了使产生的电流相位和电源电压相同并且波形接近正弦,对于PWM电流型整流器,可以对开关直接的用正弦PWM技术控制.这时,系统输入电流就只含有高次谐波,该谐波频率与开关频率相近,所以谐波容易被滤除.

（2）被动型的谐波抑制方案.

根据当前工业现状而言,抑制谐波的基本手段是装设各种滤波补偿装置,像无源滤波器和有源滤波器.

无源滤波器通常由电容、电感和电阻等无源元件组成.它的优点主要为：硬件结构简单,维护与检修方便.但是,无源滤波器存在固有缺点.

随着电力电子技术的发展,无源滤波器对谐波的补偿已经不能满足要求,所以,有源滤波器应运而生.与无源滤波器相比,有源滤波器有如下的优点：

（1）滤波系统的滤波效果好；滤波系统的滤波效果受电力系统的阻抗影响较小；

（2）电力系统电网阻抗和无源滤波器之间不会发生串联或并联谐振；

（3）同一交流系统中其它滤波负载产生的谐波电流不会流入无源滤波器；

（4）基于数字控制的有源滤波器易于实现多功能、智能化.

但其成本较高,大容量实现的技术难度高等因素限制APF的实用化.

4结语

由于我国在晶闸管变流装置的应用上发展很快,电气铁道大量发展,煤炭、冶金、化工等工业部门大量应用电力整流和换流技术,如煤矿提升用的晶闸管供电的直流绞车和冶金行业的电弧炉、轧钢机等.谐波问题在有些电力系统中非常严重,对电力系统和用电设备已产生严重危害和不利影响,这将迫使我们必须对消除谐波进行研究.

总之,治理系统谐波污染已成为现代设备急需解决的问题.