电力系统中谐波产生的原因与控制措施

　　摘要:随着电力电子技术的发展以及它们在各个工业部门和用电设备上的广泛应用,谐波对电力系统各种用电设备以及用户和通讯线路的影响已经十分严重,造成电力系统的谐波含量急剧上升以及电压波形畸变,使电网的供电质量降低,给供用电双方带来严重危害。因此电网中谐波污染的原因及对系统设备造成的危害就显得非常重要。

　　关键词:电力系统;谐波产生;危害;APF;控制措施

　　0引言

　　随着电力电子技术的迅速发展,特别是电气化铁路机车、电炉炼钢、多相可控硅整流、电机变频调速、电视机、空调设备等家电的广泛应用,系统谐波成份也越来越复杂,谐波对电能计量的影响也越来越引起人们的关注。谐波对电力系统的危害不仅表现在工程上,而且表现在经济上,谐波造成电能表计量误差会影响电力公司成本和收入。

　　1电力系统中谐波产生的原因

　　电力网中的谐波有多种来源,在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。接入低压电力系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。

　　稳定的谐波电流是指谐波的幅度不随时间变化,如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波,这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机等产生的各次谐波的幅值随时间变化,称之为波动的谐波,这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。变化的谐波产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备:

　　1.1具有铁磁饱和特性的铁芯设备,如:变压器、电抗器等;

　　1.2以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:交流弧焊机等;

　　1.3以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等,并且这些设备大量的使用于钻井平台。

　　以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生的谐波,使电网电压严重失真,此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

　　随着电力电子设备使用的不断增加,同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅,所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

　　2谐波产生的危害

　　2.1谐波危害原理

　　大量谐波电流流入电网后,由电网阻抗产生谐波压降,叠加在电网基波上,引起电网的电压畸变,致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时,会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害:

　　在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出,这不但使接入该电网的设备无法正常工作,甚至造成故障,而且还会使供电系统中性线负荷承受的电流超载,影响供电系统的电力输送。

　　因此,谐波问题得到各有关方面的高度重视。电网和SCR系统改造完毕后,在几个月试运行过程中主要发现以下危害,先简单介绍并分析如下:

　　2.1.1 连续烧坏4台主机冷却水泵电机,8台壁挂式空调谐波对电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、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。在平台的供电系统中,电动机的负荷约占整个负荷的90%左右。

　　因此,谐波是使电动机总的附加损耗增加的影响最大因素。实验表明,在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时,电动机的绝缘寿命要减少一半。因此,国际上一般规定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%。

　　而平台电站在大负荷运行时(即SCR系统满负荷运转时)负序电压最大超过7%(接近40V,平台电站电压为600V),这是造成平台烧毁设备的直接原因。

　　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,可能出现电机转轴扭曲振动的问题。

　　这种振荡力矩使电动机的转子元件发生扭振,并使电动机叶片产生疲劳循环是空调室外机风扇叶片屡屡断裂的主要原因。

　　2.1.2 两台主变压器经常拉弧、打火,造成极大隐患主要原因是谐波电流使变压器的铜耗增加,特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热;对星形连接的变压器,当绕组中性点接地,而该侧电网中分布电容较大或者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。

　　2.1.3 照明用电力电容器频繁损坏因为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成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时,就会产生谐波电流放大,使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

　　2.1.4其他影响继电保护和自动装置的工作可靠性的危害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,而平台的配电系统又是一个以继电保护和自动控制为主的电力系统。

　　由于这些按负序(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(如电焊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)、变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动,母线差动保护的负序电压闭锁元件误动,并且对于晶闸管的调速装置,谐波可能使晶闸管误动作,或使控制回路误触发,以及线路各种型号的继电保护、高频保护等发生误动,严重威胁电力系统的安全运行。

　　3谐波的控制措施

　　3.1传统的抑制方法

　　3.1.1 增加换流装置的相数

　　平台的主要动力源是直流驱动,而交流变直流是平台的主要谐波源之一。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pk±1和pk(p为整流相数或脉动数,k为正整数)。

　　当脉动数由p=6增加到p=12时,可以有效的消除幅值较大的低频项,(其特征谐波次数分别为12k±1和12k),从而大大地降低了谐波电流的有效值。

　　这种方法在平台是比较可行的,但是效果相对较差。

　　3.1.2 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-StaticVarCom-pensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOMStaticSyn-chroncusCompensator),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。这种方法在各种行业中已验证是行之有效的,但是造价较高。

　　3.1.3对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电

　　因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入的因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电。

　　3.1.4将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开

　　因为动力装置的负荷变动大测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大供电电源分开后测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。

　　3.1.5 加装交流滤波装置

　　采用交流滤波装置在谐波源附近吸收谐波电流,降低连结点的谐波电压,是降低谐波污染的一种有效措施。滤波装置由R、L、C等元件组成串联谐振电路,利用其串联谐振时阻抗最小的特性,这样就消除5、7、11等高次谐波。

　　3.2 新型的谐波控制措施

　　现在,有源电力滤波器(APF),是一种新型谐波抑制和无功补偿装置,它不同于传统的LC无源滤波器(只吸收固定频率的谐波),它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿,可以实现动态补偿。

　　图1为最基本的有源电力滤波器,图中,es表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分构成,即谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。

　　其基本工作原理是,检测补偿对象的电流和电压,经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流,达到了抑制谐波的目的。

有源电力滤波器图

　　有源滤波器按其接入电网的方式,可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器两大类。目前实际应用的AFP装置中,90%以上是采用电压逆变器的并联型结构。近年来,为了发挥有源滤波器的优势,提高性能,减少容量,降低成本,增强适用性,又设计出了串、并联混合型的有源滤波器。

　　即有源滤波器APF和无源滤波器PPF构成混合滤波系统HPFS,用PPF滤除谐波电流,再用APF来改善滤波效果,并抑制串联谐振的发生。为了适应有源滤波器多功能复杂控制的需要,一些变结构控制、模糊控制和人工神经网络等现代的新型控制方法的应用,使其获得了更好的控制性能和效果。

　　目前常用的PWM生成方式有:三角波比较法、滞环控制法、预测控制法、特定消谐法和空间矢量法。因此,通过PWM调制和开关频率的多重化技术的提高,能够实现对高次谐波的有效补偿。当有源滤波器的容量不大时,通常采用IGBT和PWM技术进行谐波补偿;当容量很大时,采用GTO以及多重化技术进行谐波补偿,效果比较显著。

　　4.结束语

　　综合以上分析,笔者认为应用有源滤波器结合动态无功补偿的方式最能够达到消除谐波优化电能质量的功能,从而达到最优的动力效果。