谐波治理方法（精选12篇）
谐波治理方法 篇1
1 谐波治理的基本方法
为了限制低压电网中谐波的传播, 可以采用不同的解决方法, 而这些方法应该在设计一个新的电气系统时就考虑进去。
1.1 将非线性负荷放置在系统上端
当短路容量降低时, 总谐波干扰增加。不考虑所有经济因素, 应尽可能将非线性负荷远离敏感负荷, 连接在系统的最上端, 见图1。
图1应尽可能将非线性负荷放在靠近上端的位置 (推荐方案) 非线性负荷组。
1.2 非线性设备应该与其他设备分开, 见图2。两组设备应该设置不同的干线供电。
图2将非线性负荷归成组并尽可能放在靠近上端的位置 (推荐方案) 。
1.3 建立隔离电源
为了限制谐波, 另一种改进方法是通过隔离变压器建立电源, 见图3。其缺点是增加了电气系统的费用。
1.4 特殊连接方式的变压器
不同的变压器连接方式可以减少特定次数的谐波, 如下面例子中所示:
Dyd联结, 可以抑制5次和7次谐波, 见图4。Dy联结, 可以抑制3次谐波。
1.5 安装电抗器
当给变速传动装置供电时, 可以通过安装线路电抗器使电流变得平稳。通过增加供电线路的阻抗, 谐波电流得到抑制。
在电容器组上安装谐波抑制电抗器增加电抗器/电容器组合对高次谐波的阻抗。这样可以避免谐振并且保护电容器。
1.6
采用直流串接扼流线圈是最经济的限制谐波的措施。
1.7 利用12脉冲器可将一般VFD的电流
变率降低90%, 可满足IEEE-519-92标准所规定的苛刻的电源质量的要求。
1.8 输入一个3%的电抗器可降低与直流串接扼流圈相同百分数的电流畸变 (40%～60%) 。
上述1.6、1.7、1.8三种防范措施的比数见图5。
1.9 选择合适的接地系统方式
应采取降低电磁干扰措施, 以保证供配电系统和用电设备的稳定可靠运行。
(1) 对电磁干扰敏感的电气设备, 宜选用电涌保护器 (SPD) 和/或滤波器以提高电磁兼容性。
(2) 电缆的金属屏蔽护套应与共用等电位联结系统 (CBN) 联接。
(3) 信息技术系统传输线路采用屏蔽型电缆时, 应避免故障电流经由电力系统流向信号电缆、数据电缆、接地的金属外护套或线芯。宜采取附加旁路等电位联结导体, 以加强屏蔽效果。
(4) 等电位联结导体的阻抗应尽可能小, 为此应使等电位联结导体尽量短 (不宜大于50cm) ;或采用感应电抗和阻抗较低的导线形状, 如宽厚度比为5:1的扁平编织带。
(5) 对于含有大量信息技术设备的建筑物, 应采用环形联结导体 (BRC) 。
1.9.1 为了使电磁干扰最小化, 采用下列措施
a.在已建的, 有或可能有大量信息技术设备的建筑物中, 建议不采用TN-C系统。
b.在新建的, 有或可能有大量信息技术设备的建筑物中, 建议不采用TN-C系统。任何TN-C系统可能会产生负载或故障电流, 并通过等电位联结转移到建筑物内的金属部件及结构部件上。
c.在已建的由公共低压电网供电的建筑中, 若同时有或可能有大量的信息技术设备存在时, 在电源进线处后宜采用TN-S系统。
d.在新建的建筑里, TN-S系统应安装在电源近线处后面。利用符合IEC-62020标准的剩余电流监视设备 (RCM) 可以加强TN-S系统的有效性。
e.在已建的建筑中, 若包括变压器在内的所有低压电气装置由业主运行管理的, 而且有或是可能会有大量的信息技术设备的, 应采用TN-S系统。
1.9.2 当现有的装置TN-S系统时, 信号和数据电缆回路应避免以下情况:
a.更换所有的TN-C部分, 成为TN-S。
b.当以上更换不可能实现时, 需避免信号和数据电缆在TN-S装置的不同部分互相连接。
1.9.3 TT系统
在TT系统中, 如果不同建筑物的外露导电部分连接于不同的接地板上的话, 应考虑到TT系统会在带电导体和外露导电部分上可能产生的过电压, 应采用一旁路等电位联结线, 见图6。
对于采用TT系统供电的几个建筑物, 其信号或数据线路采用一个共用的屏蔽电缆时, 应采用旁路等电位联结导体。旁路等电位导体的截面不应小于16mm2 (铜导体) , 或等同电导值的其他材质的导体。
1.9.4 IT系统
在三相IT系统中, 应考虑到以下这种情况:当一相导电部件和一个暴露导电部件之间产生单个接地故障时, 在另一相安全的导电部件和暴露导电部件之间的电压会上升到相间电压。若电气设备直接接在相导体和中性线之间, 应考虑到此设备能够经受住相导体和暴露导体之间产生的电压 (有关要求请参阅IEC-60950:信息技术设备) 。
1.1 0 变压器容量的选择
在谐波严重存在时。变压器应选用具有足够低的输出阻抗和足够大的容量, 以耐受额外的发热。
另介绍一种按K系数法设计变压器的方法。在有大量谐波的系统内, 应采用K系数为K-4的变压器, 所谓K系数, 即为单位谐波电流的平方乘以谐波次数的平方, 然后累加。其表达式为:
式中:Ih (pu) —是指相对于一次谐波电流的单位值
h—谐波的次数
K系数法考虑了谐波频率的影响, 非正弦波电流使变压器因绕组非正常温升导致过早损坏。因为K系数法考虑了频率因数, 它是用于计算干式变压器的非线性负载谐波影响的最精确及可行的方法。变压器的降容率见图7。
2 滤波
如果上述保护措施还不充分, 那么就需要在电气系统中采取补救性的措施即:安装滤波器来抑制谐波。
滤波器类型:
◆无源滤波器 (被动式滤波)
◆有源滤波器 (主动式滤波)
◆混合滤波器
2.1 无源滤波器
组成:无源滤波器由电容器及电抗器串联组合。
功能:在谐波频率下——为阻抗回路吸收谐波。
在基波频率下——提供无功电流以提高功率因数。
典型应用:含有一组容量大于200kVA的非线性负荷 (变速传动装置、UPS、整流器等) 的电气系统。
需要功率因数校正的电气系统。必须降低电压畸变以避免干扰敏感负荷的电气系统。必须降低电流畸变以避免过载的电气系统。
消谐原理:一个LC电路与非线性负荷并联安装, 见图8。调节每次谐波进行过滤。该旁路回路吸收谐波, 从而避免谐波流入配电网。
一般来讲, 调节无源滤波器到一个谐波次数, 接近此次数的谐波将被滤除。如果为了有效降低多个谐波次数产生的畸变, 可以并联若干滤波器。
2.2 有源滤波器 (有源谐波调节器)
组成:由电子元件 (控制、IGBT) 组成的变换设备。
典型应用:含有一组容量小于200kVA的非线性负荷 (变速传动装置、UPS、整流器等) 的电气系统。必须降低电压畸变以避免干扰灵敏负荷的电气系统。必须降低电流畸变以避免过载的设备系统。
消谐原理:这些系统含有电力电子元件, 与非线性负荷并联活串连安装, 用于补偿负荷引起的谐波电流和电压。
图9表示了一个并联安装的有源谐波调节器 (APF) 的谐波电流补偿 (Ihar=-Iact) 注入与非线性负荷产生谐波的反相电流, 这样使得线路电流Is保持为正弦波。
2.3 混合滤波器
典型应用:含有一组容量大于200kVA的非线性负荷 (变速传动装置、UPS、整流器等) 的电气系统。需要功率因数校正的电气系统。必须降低电压畸变以避免干扰灵敏负荷的电气系统。必须降低电流畸变以避免过载的电气系统。必须严格限制谐波释放的电气系统。
消谐原理:无源和有源滤波器在一个系统中结合便形成了混合滤波器, 见图10。这种新的滤波器包括了两种滤波器的优点, 并适用于电力系统。 (未完待续)
谐波治理方法 篇2
摘要：经济的飞速发展带来供电紧张，为解决供电紧张，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要高效利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。本文分析谐波基本性质和测量方法，对配网中谐波的来源和危害进行了详细说明，总结和提出了治理谐波的若干方法。
关键词：电能质量 谐波治理 配电网
供电质量包括系统电压、频率的合格率，峰值、超限电压持续时间、停电时间，以及电网谐波含量等诸多方面。其中，谐波问题一直是主要的电能质量问题。谐波存在于电力系统发、输、配、供、用的各个环节。治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。
1电力系统谐波的基本特性和测量
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍数。理论上看，非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系，这类负荷的电流不是正弦波，且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外，还可能产生低于基频的次谐波，或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故，而导致系统进入暂态过程引起的谐波，将不归属谐波治理的范畴。 要治理谐波改善供电品质，需要了解谐波类型。谐波按其性质和波动的快慢可分成四类：准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定，推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。兼顾数理统计和数据压缩的需要，标准对测量时段以及通过测量值计算谐波值提出了表1建议。
国标GB/T 14549-1993采用观察期3s有效测量的各次谐波均方根值的95%概率作为评价谐波的标准。为简便实用，将实测值按由大到小的方式排序，在舍去前5%个大值后剩余的最大值，近似作为95%的概率值。
实际工作中，通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说，将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点，测量该点的电压和注入公共电网的电流后，通过对电压和电流的分析，取得谐波测量资料。
相对单点的谐波测量而言，从区域或整个电网角度来看，谐波源的定位和确定谐波模型进而分析它是一个相对复杂的过程。谐波源定位，一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种：非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理，只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
2配网中的谐波源
严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多位于用电环节上。
发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。
用电环节谐波源更多，晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波。
晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源。
变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。
充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的`非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。
3谐波在配网中的危害
谐波对于配电系统的影响，表现在对线路上所配置的保护及测量设备的影响。因这些设备一般采用电磁式继电器、感应继电器元件，容易接受谐波干扰而误动和拒动，系统中存在的不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。所以谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。
谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力，谐波导致的噪声，会使变电所的噪声污染指数超标，影响工作人员的身心健康。对于电力电容器，谐波会导致端电压升高，损耗加大，电容器发热，加速老化，从而缩短使用寿命。
配网中使用大量异步电动机，产生的谐波会增加附加损耗。负序谐波产生的负序旋转磁场，会产生制动力矩，影响电动机的有功出力。对断路器而言，无论其构成元件为电磁的、还是热磁的、亦或电子的，都可能受谐波的影响误动。
电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动，保护误动和拒动的重要因素。
此外，谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进通讯系统，影响它们的正常运行。对于人体，谐波会刺激人体细胞，使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转，当这种波动或翻转频率接近谐波频率时，会影响人体大脑与心脏。
4配电网谐波治理的对策
既然谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：
(1)加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措；
(2)主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
(3)针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限制在标准允许的范围内。
(4) 加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。
5结论
谐波治理方法 篇3
【关键词】变电系统；谐波；危害；问题；治理；分析
0.前言
为了适应电力事业的发展，便于管理，电网中的各项设备也逐渐增多。良好的电力供应系统，其提供的电压具有正弦波形，但是电网在实际的运行中会受到某些因素的干扰，出现波形偏离的状况，该现象即为谐波。其出现的根本原因与电网的发展有紧密的联系。现代电网中设置了较多的非线性阻抗特性的电气设备，在供电运行时，即造成了谐波的出现。现代我国工业用电中的谐波一般为50赫兹，而供电系统中的谐波一般是指高次谐波，其会直接引起供电系统的电力或者电力波形出现异常变化，降低供电质量。
1.变电系统谐波的概况
现代电网系统的不断发展，对电网管理也有了更多更高的要求，电子技术的发展，研制出了各种电子设备，有效的提高了电能的利用率，但是该类电力电子设备中也包括直流输电用的换流器、电弧炼钢炉、变频器、可控硅整流设备、调压设备等。上述设备均为非线性负荷型的设备，其会直接导致电压或者电流的波形出现异常变化，即为谐波。电网会受到该类谐波的干扰，因此上述设备则是谐波源。谐波污染的范围随着非线性负荷型设备的广泛使用而广泛的存在于电网中，影响了电网的整体运行性能。因此对其进行研究，并探索治理措施是十分有必要的[1]。
2.谐波的危害
电力谐波的危害主要表现在以下几个方面：①谐波能够影响继电保护装置的判断，影响到其正常工作，甚至导致自动装置的拒动或者误动，降低电力系统运行的安全性；②变压器、旋转电机或者其他设备也会受到谐波的影响，增加该类设备的附加损耗，设备运行时温度会升高，而出现绝缘迅速老化现象，减少设备的使用寿命；③谐波能够利用电容调和及电磁感应对于其周围的通讯设备产生干扰，使之无法正常通信；④在电力系统中常用的感应式电能表会由于谐波的影响，计量的准确度降低，加深误差程度；⑤谐波会导致某些新型的设备无法正常运行，而阻碍先进技术的推广应用。
3.谐波治理措施
电网的发展，为了对电网进行更好的管理，各项电子设备的数量不断提高，其带来的谐污染也逐渐严重。现代对于谐波的治理一般使用两种措施，一种是主动方式，即选择脉冲调制方法，包括宽脉冲调制 PwM，正弦脉冲调等，并配合电力电子设备的关断特性，将电子装置进行适当改良，优化性能，减少或者消除该类设备在运行的过程中出现的谐波。另外一种是被动方式，即在电网中添加补偿装置，该类装置的作用在于其能够将谐波吸收，或者对于的传播起到限制作用，且具有适用性强的特点。由于电子装置在完成工作任务的过程中，其本身的性能已经被限定，对其进行改造的空间较小，现代常用是方式即为被动型方式，将其中加入谐波补偿装置，因此对其的研究时十分有必要的。在进行谐波补偿时需要使用的滤波器根据类型的不同，又可以分为无源交流滤波和有源交流滤波器，具体内容如下：
3.1无源交流滤波
3.1.1无源滤波器由电容器概况
无源滤波器的主要构成部分包括电容器、电抗器及由电阻构成的谐振装置，其优点在于结构较为简单，可靠性强，日常维护是也较为便捷。其与产生谐波的设备进行并联，一般造成谐波污染的设备并不单一，滤波装置中需要包括数量不等的单调谐滤波器和高通滤波器，其中一组单调滤波器的谐振频率即能够治理一种相应的谐波频率，合理选择滤波装置的各项参数达到治理谐波的效果[2]。
3.1.2无源交流滤波参数选择原则
在无源交流滤波使用的过程中需要合理设置相关参数，保障其治理谐波的效果，主要遵循以下几个原则：①避免无源滤波器与系统连接后出现串联谐振；②应保障装置与谐波源不会产生并联谐振；③录播组需要具有较强的无功补偿容量；④如果电源频率出现波动，但是保持在一定范围内，滤波器依然可以保持正常的运行。
3.2有源交流滤波器
3.2.1有源交流滤波器概况
以往在谐波补偿装置的使用上，一般应用无源滤波器，但是因为无源滤波器存在较多固有缺陷，如体积较大，滤波效果也不甚理想，而现代科技的发展，有源电力滤波器的出现，为谐波的治理提供了新的思路，在现代电网中得到了较多的应用与发展。电力有源滤波器能够有效的进行谐波的动态抑制，并能够实施无功补偿。其由电力电子元件构成，其利用谐波及无功能够迅速的对谐波进行实时测量，掌握谐波的变化动态，并及时进行跟踪补偿，还可以电力技术实施实时补偿[3]。能够有效地治理谐波污染，相较无源滤波器，其效果更好，且不容易受到系统阻抗的干扰，但是其也存在一些固有的缺陷和不足之处，包括投入成本较高、单一设备的补偿容量较低、高次谐波的治理效果不佳等。
3.2.2有源交流滤波器基本原理及分类
有源滤波器的基本工作原理是，先对无功补偿的对象进行全面的检测，包括电流及电压等，通过谐波和无功电流检测电路后，计算得出补偿电流的指令信号。补偿电流出现的线路会将该指令信号放大，因此获得补偿电流，其可以有效的抵消负载电流中需要补偿的谐波及无功等电流，从而获得理想的电源电流。根据其各种不同性质，有源滤波器基本可以分为电压型有源交流滤波器利电流型有源交流滤波器；而根据实施无功补偿对象的不同，又可以分为并联型有源交流滤波器及串联型有源交流滤波器，其中并联型有源交流滤波器的应用较为广泛[4]。
3.2.3快速发展的原因
有源滤波在现代电力事业中的应用逐步扩大，其能够得到迅速发展的原因包括以下两点：①瞬时无功功率理论。瞬时无功功率理论的出现，三相系统中对于畸变电流进行实时检测，需以瞬时无功功率理论作为其理论依据；②大功率可关断器件。现代科学技术的进步，使得大功率可关断器件得到了较为深入的研究，其应用也逐渐广泛，其种类较为丰富，包括大功率门极可关断晶闸管、场控晶闸管、绝缘栅双极晶体管等，其能够促使逆变器产生的电压或者电流功率更大。
3.3发展趋势
现代电网的发展，对于谐波治理的要求更高，但是新型的电力有源滤波器存在一定的缺陷，包括经济成本投入较大、单机的补偿容量有效等，因此可以将电力有源滤波器与无源滤波器有机结合，发挥出二者各自的优势，进行谐波的治理。在治理的过程中，二者的作用也有所区别，无源电力滤波器的主要作用是滤除谐波电流，有源滤波器的作用则是强化谐波滤除的效果，并避免出现串联谐振的问题。该系统相较两种单独的滤波装置，很好的弥补了其不足之处，成为今后谐波治理的有效方式及发展趋势。
4.总结
现代电网的发展给人们的生活带来了方便，也促进了社会经济的发展。各项设备的出现及应用也为电网的管理及运行提供了可靠的保障。但是在另一方面，其也带来了许多问题，其中电力谐波即为比较严重的问题，其直接的影响到供电质量，因此需要对电力谐波采取措施进行治理。本文仅从一般的角度分析了谐波的基本情况及危害，并提出了几点治理意见，在电网的实际管理中，还需要管理人员全面掌握电网的构成、特点、规模、所设置的设备等，探索出适合实际情况的治理措施，提高供电质量、用电的安全性及稳定性，保障人们的生活质量，促进社会的发展。 [科]
【参考文献】
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[3]逯少森.胜利油田电网谐波现状调查分析与治理[J].胜利油田职工大学学报，2009，23（01）：77-78.
典型变电站谐波治理方法 篇4
近年来随着电力电子技术在电气设备中广泛应用及其它非线性负荷在电网中不断增长, 给电网带来的不仅是谐波污染, 同时也引起了电压波动与闪变等其它电能质量问题。已严重危及到电网的安全稳定及经济运行。因此, 对谐波的综合治理日显重要。目前国内外, 广泛应用于谐波治理的滤波器有无源滤波、静止无功补偿装置 (TCR+FC) 、SVG和APF有源滤波器等。
某110kV变电站负荷均为轧钢、小冶炼厂等冲击性负荷。因各厂没有进行相关治理工作, 大量用户产生的谐波汇集到系统变电站, 造成变电站各电压等级侧谐波严重超标。为了改善该地区谐波污染情况, 以下根据变电站实际运行工况, 提出了SVG+FC治理方案, 通过仿真数据分析, 该方案治理效果明显。
2 瞬时功率理论检测谐波电流
三相瞬时功率理论经过多年的发展, 目前已经成功应用到工程无功补偿和谐波治理项目中。其谐波电流检测过程, 如图1所示。
在上图中, A相电压经过锁相环节, 生成同相位的正弦和余弦信号。两者合成构成C信号矩阵。图中,
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在上图中, 三相电流经正交变换、C矩阵合成得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq。两信号经低通滤波器, 得到直流分量i-p, i-q, 这两信号对于基波有功电流和无功电流。两电流信号经方变换, 最终得到三相基波电流iaf, ibf, icf。该信号与原信号相减可得到谐波电流信号ian, ibn, icn。当今国内主流SVG, 主要是利用上述理论原理, 实现谐波治理。
3 典型变电站背景谐波
某110kV变电站10kV 无功补偿装置及其它高压设备因受谐波的影响, 曾经出现过多次保护误动作及熔断器熔断。从云南电网电能质量在线监测系统对该变电站的监测数据分析可知, 该变电站10kV 侧5、7、11、13、17、19次谐波超标, 35kV侧1段母线5、7、11、13次谐波超标。测试数据汇总如表1所示。
4 治理方案
针对该变电站实际情况结合工程预算, 提出SVG+FC治理方案。其中, 在1号主变10kV侧加装一套±6Mvar的SVG滤除1号主变10kV侧3、5、7次谐波电流;与此同时, 在该侧加装一套容量为4.2Mvar的高通滤波器用于滤除11次及以上谐波电流;在1号主变35kV侧加装一套容量为14.4Mvar的5次单调谐滤波器, 滤除35kV侧谐波源产生的5次谐波电流。
根据系统参数可知, 10kV H11滤波器投入后对该侧5、7次谐波电流有放大作用;35kV侧H5投入对3、4次谐波均具有放大作用。参见图2和图3所示。
为了解决谐波放大问题, 在投运次序上, 可优先投入SVG后, 再投入FC, 从而减小FC对谐波部分次数谐波的放大作用影响。经PSCAD仿真, 得出滤波器投入后的滤波效果如表2所示。
参照表1可知, 滤波器全部投入后, 滤波效果较为理想。
5 结 论
针对小型多谐波源汇集至系统变电站, 引起系统电能质量严重污染难题, 提出了有源和无源相结合的治理方案。通过仿真计算, 该方案比常规FC治理方案具有较好的滤波效果的同时, 解决无功波动引起的电压波动问题。治理方案具有较高的技术性、经济性, 可在电网中推广。
参考文献
[1]肖湘宁电能质量分析与控制[M].中国电力出版社
[2]武健, 何娜, 徐殿国.并联混合有源滤波器复合控制策略[J].电力自动化设备, 2009, (03) .
电力系统谐波检测和治理论文 篇5
关键字：电力谐波检测治理
前言
随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。
一、电力系统谐波危害
①谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。
②谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。
③谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。
④谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。
⑤谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。
⑥谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
⑦谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。
⑧谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。
二、谐波检测方法
1.模拟电路
消除谐波的方法很多，即有主动型，又有被动型；既有无源的，也有有源的，还有混合型的，目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其检测环节多采用模拟电路，因而造价较高，且由于模拟带通滤波器对频率和温度的变化非常敏感，故使其基波幅值误差很难控制在10%以内，严重影响了有源滤波器的控制性能。近年来，人工神经网络的研究取得了较大进展，由于神经元有自适应和自学习能力，且结构简单，输入输出关系明了，因此可用神经元替代自适应滤波器，再用一对与基波频率相同，相位相差90度的正弦向量作为神经元的输入。由神经元先得到基波电流，然后检测出应补偿的电流，从而完成谐波电流的检测。但人工神经网络的硬件目前还是一个比较薄弱的环节，限制了其应用范围。
2.傅立叶变换
利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测，电力系统的谐波分析，目前大都是通过该方法实现的，离散傅立叶变换所需要处理的是经过采样和A/D转换得到的数字信号，设待测信号为x(t)，采样间隔为t秒，采样频率=1/t满足采样定理，即大于信号最高频率分量的2倍，则采样信号为x(nt)，并且采样信号总是有限长度的，即n=0，1……N-1。这相当于对无限长的信号做了截断，因而造成了傅立叶变换的泄露现象，产生误差。此外，对于离散傅立叶变换来说，如果不是整数周期采样，那么即使信号只含有单一频率，离散傅立叶变换也不可能求出信号的准确参数，因而出现栅栏效应。通过加窗可以减小泄露现象的影响。
3.小波变换
小波变换已广泛应用于信号分析、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非常突然的信号，在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥小波变换的优势。即对谐波采样离散后，利用小波变换对数字信号进行处理，从而实现对谐波的精确测定。小波可以看作是一个双窗函数，对一信号进行小波变换相当于从这一时频窗内的信息提取信号。对于检测高频信息，时窗变窄，可对信号的高频分量做细致的观测；对于分析低频信息，这时时窗自动变宽，可对信号的低频分量做概貌分析。所以小波变换具有自动“调焦”性。其次，小波变换是按频带而不是按频点的方式处理频域信息，因此信号频率的微小波动不会对处理产生很大的影响，并不要求对信号进行整周期采样。另外，由小波变换的时间局部可知，在信号的局部发生波动时，不会象傅立叶变换那样把影响扩散到整个频谱，而只改变当时一小段时间的频谱分布，因此，采用小波变换可以跟踪时变和暂态信号。
三、电力系统谐波治理
限于篇幅问题，本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种。
(1)增加整流变压器二次侧整流的相数
对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一，其在交流侧所产生的高次谐波为tK1次谐波，即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K1，如果增加到12脉动时，其谐波次数为n=12K1(其中K为正整数)，这样就可以消除5、7等次谐波，因此增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。
(2)整流变压器采用Y/或/Y接线
该方法可抑制3的倍数次的高次谐波，以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理，当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通(三相相位一致)，而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势，从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致，只能在形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出，三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时，谐波源产生的3n(n是正整数)次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流，不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波，是抑制高次谐波的最基本方法，该方法也多用于大容量的整流装置负载。
(3)尽量选用高功率因数的整流器
采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法，用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造，使其尽量不产生谐波，其电流和电压同相位的组合装置，这种整流器可以被称为单位功率因数变流器(UPFC)。该方法只能在设备设计过程中加以注意，从而得到实践中的谐波抑制效果。
(4)整流电路的多重化
整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。另外，该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值，并提高纹波频率。如果把上述方法与PWM技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。该方法用于桥式整流电路中，以减少输入电流的谐波。
当然，除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法，它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置(SVC)等等，在此就不再详细论述。
随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能质量的监测
与治理水平，同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络，及时分析和反映电网的电能质量水平，找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因，采取相应的措施，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。
参考文献：
电能质量－公用电网谐波 GB／T14549-1993[J]
吕润馀．电力系统高次谐波．[M]．北京：中国电力出版社，1998
谐波治理方法 篇6
关键词：城市轨道交通;低压配电系统;谐波治理
近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域。计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的主要因素。在诸多公共服务领域，特别是城市轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。
一、城市轨道交通供电系统中的谐波源及有源滤波装置特点
1、谐波，我们通常也称之为高次谐波：主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在城市轨道交通供电系统运行中，存在大量非线性负荷，因此容易造成谐波污染。一般来说，城市轨道交通供电系统中，除牵引整流机组外，低压配电系统也存在很多非线性负荷。比较典型的谐波源有：变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器;LED广告牌;荧光灯;变电所直流屏、UPS电源屏;弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备等。
2、有源电力滤波器特点
有源电力滤波器，其应用可克服无源滤波器（LC滤波器）等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既抑制谐波又补偿无功。三相电路瞬时无功功率理论是有源电力滤波器发展的主要基础理论，且有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波装置主要是治理电流谐波，串联有源滤波装置主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波装置同无源滤波装置比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。
二、城市轨道交通供电系统的谐波危害
城市轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：
（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。
（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。
（3）对无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。
（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。
（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁;导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾;影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。
（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。
（7）电压畸变对照明设备等的寿命有一定的影响。
三、城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施
目前对谐波进行治理主要有以下两种方式：
1、无源方式为避免单体电容器放大谐波，一般采取的措施是改变与电容串联的限流电抗器。电抗率按照5 次谐波及以上呈现感性的原则确定。无功补偿装置采用串联电抗器的无功补偿装置（即电容器串联电抗器的方式）后，通过参数选取使装置在谐波频率下为一低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下提供容性无功。其工作原理如图1所示。本方式具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。但由于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而无源滤波装置存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大;②只能消除特定的几次谐波;③谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成装置过载;④有效材料消耗多，体积大。
2、有源方式由于无源方式具有以上缺点，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电力滤波器。与无源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：①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;②具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波;③通过适当的控制可以有效的抑制系统谐振。有源电力滤波器工作原理如图2所示，通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得所期望的电源电流。随着0.4kV有源滤波装置的批量生产，该产品的价格已大幅降低，可以替代传统的无功补偿装置。该装置可跟随进线侧电流变化，输出反方向电流，既可以起到滤波作用，又可起到无功补偿功能，具有响应速度快，滤波频谱范围大的特点，满足地铁谐波治理需求。
四、结论
本文结合城市轨道交通低压系统的特点以及有源滤波技术的发展，从系统设计的角度，提出了城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施，避免无功补偿装置对谐波的放大，同时提高系统滤波的效率。
参考文献：
[1]李建民，徐坚.基于SVG 的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008，2.
[2]李健民，徐彦.城市轨道交通牵引供电系统整流器机组功率因数分析[J].郑州铁路职业技术学院学报，2007，12.
谐波治理方法 篇7
在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致, 非线性负载即谐波源。民用建筑电气中, 主要的谐波源有 (1) 照明系统中的照明镇流器、调光设备 (相位角控制器) 。 (2) 计算机、复印机、打印机等办公自动化设备。 (3) UPS不间断电源及开关电源。 (4) 电梯、水泵、空调等动力设备中普遍应用的变频传动装置 (VFD) (5) 其他非线形家用电器和电子设备。当电流流经这些负载时, 与所加的电压不呈线性关系, 就形成非正弦电流, 即电路中产生了谐波。非正弦波通常是周期性电气分量, , 根据法国数学家傅立叶 (M.Fourier) 分析原理证明, 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是非正弦波, 每个谐波都具有不同的频率, 幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数, 按谐波次数可以分为偶次谐波与奇次谐波。在平衡的三相系统中, 由于对称关系, 偶次谐波已经被消除了, 只有奇次谐波存在。故奇次谐波对电力系统的危害更大。对于三相整流负载, 出现的谐波电流是6n±1次谐波, 例如5、7、11、13、17、19等, 变频器主要产生5、7次谐波。谐波具有叠加性, 例如当电网中仅有3次谐波出现时, 对原有正弦基波波形影响如图1所示;当3次、5次谐波同时出现时, 就会使正弦波明显地发生了变化, 影响如图2所示。
如果继续叠加, 原正弦波就会发生质的变化。可见, 谐波对电网影响之大。
民用建筑电气中, 谐波对电网的危害主要有:
(1) 增加了变压器和用电设备的附加损耗。
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍, 高频电流流过导体时, 集肤效应、磁滞、涡流也更大, 变压器的铜损、铁损也更大, 从而增加了变压器的、电能损耗。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固体的发热。变压器的发热程度直接影响变压器使用容量, 有可能引起变压器局部严重过热, 形成额外温升而要考虑降容问题。
(2) 电源对现代建筑输电线路影响大。
谐波流过电力电缆时, 因电缆的分布电容可放大谐波, 电缆的集肤效应加重, 使电缆过热, 附加损耗增大, 电力电缆载流能力降低或烧坏导线, 引发火灾。同时, 高次谐波含量较高的电流将使断路器的分断能力降低。这是因为当电流的有效值相同时, 波形畸变严重的电流与正弦波形的电流相比, 在电流过零处的可能较大。当存在严重的谐波电流时, 某些断路器的磁吹线圈不能正常工作, 开断将更为困难, 而且由于开断时间延长而延长了故障电流切除时间, 容易造成电弧重燃, 发生短路, 甚至断路器爆炸。
(3) 影响电力测量仪器仪表读数的准确性。
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, 当采用电子式电能表计量时, 非线性负荷端, 电能表除记录了负荷吸收的基波电能外会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, 在线性负荷端, 电能表记录的是负荷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。
(4) 谐波会影响办公、民用低压电器的正常运行, 使设备过热, 降低设备的效率和利用率。
计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源, 又是受谐波有害影响的电器。谐波会使计算机数据丢失程序出错, 影响自动控制的家用电器的正常工作, 如电视机、收音机、洗衣机等荧光灯的伏安特性是严重非线性的, 因此会引起严重的谐波电流, 其中3次谐波电流含量最高, 同时电网中的谐波叉会使日光灯、白炽灯异常发热减少使用寿命, 特别是对白炽灯光源的的影响, 美国tES照明手册指出, 若谐波引起电压升高5%, 则白炽灯寿命降低47%。
(5) 对通信系统产生干扰。
谐波对通信系统的干扰是一个在国际上被十分重视的问题, 对此已进行了充分的研究。谐波会对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰, 谐波干扰会引起通信系统的噪音, 降低信号的传输质量, 降低语占或图像的清晰度, 干扰严重时会破坏信号的正常传递, 引起信号的丢失, 使系统无法正常工作。在电力线载波通信的系统中, 由于谐波的影响, 造成系统误动作, 甚至无法运行。电力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大, 而不平衡电流, 特别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。
认识到谐波的危害, 对配电网中的高次谐波的测量与治理十分的重要。谐波测量应在最严重的条件下进行。谐波的测量方法有:基于傅立叶变换的测量方法;基于瞬时无功功率理论的测量方法;基于神经网络的检测方法;基于小波分析的检测方法.以上方法是目前谐波检测的主要方法, 我们可以根据不同的情况选择测量算法。傅立叶算法是目前谐波测量中最基本的方法, 广泛应用于谐波测量仪器当中;以瞬时无功功率理论为基础, 可以得出实时检测有源电力滤波器的谐波和无功电流的方法, 也可应用于无功补偿等谐波抑制领域;小波分析和人工神经网络是目前谐波测量方法的热门问题, 是正在研究的新方法、新理论, 它可以提高谐波测量的实时性和精度。随着电网中非线性负荷的增多, 谐波污染日益严重。今后的谐波测量算法应该从简单的函数分析方法向复杂的数值分析和信号处理方向发展, 同时这些算法应该是智能化的。谐波测量装置, 按测量功能分有频谱分析仪和谐波分析仪。民用建筑电气中, 根据测量得出:荧光灯、紧凑节电灯、电脑、电视、电冰箱、洗衣机、单相变频空调等, 谐波电流的特征频率为3、.5、7次, 而3次最大;三相变频调速风机、水泵、电梯谐波电流的特征频率为5、7、11次, 而5次最大。抑制谐波方法基本思路有三, 其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波, 其二是对电力电子装置本身进行改造, 使其不产生谐波, 且功率因数可控制为1, 其三是市电网络中采用适当措施来抑制谐波, 具体方法有以下几种:
(1) 安装适当电抗器
变频器输入侧功率因数取决于装置内部AC-DC变换电路系统, 可利用并联功率因数教正DC电抗器, 电源侧串联AC电抗器方法, 使进线电流THDV大约降低30%-50%, 是不加电抗器谐波电流一半左右。
(2) 装设有源电力滤波器
除传统LC调试滤波器目前还应用外, 目前谐波抑制一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中, 实时从补偿对象中检测出谐波电流, 由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等, 方向想反补偿电流, 使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化谐波进行跟踪补偿, 其特性不受系统影响, 无谐波放大危险, 倍受关注, 日本等国已获广泛应用。
(3) 采用多相脉冲整流
条件允许或是要求谐波限制比较小情况下, 可采用多相整流方法。12相脉冲整流THDV大约为10%-15%, 18相脉冲整流THDV约为3%-8%, 满足国际标准要求。缺点是需要专用变压器, 不利于设备改造, 价格较高。
(4) 使用滤波模块组件
目前市场上有很多专门用于抗传导干扰滤波模件或组件。这些滤波器具有较强干扰能力, 同时还具有防用电器本身干扰传导给电源, 有些还兼有尖峰电压吸收功能, 对各类用电设备有很多好处。
(5) 开发新型变流器
大容量变流器减少谐波主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器输出电压、电流为正弦波, 输入电流也为正弦波, 且功率因数为1, 还可以实现能量双向传递, 代表了这一技术发展方向。
(6) 选用D-YN11接线组别三相配电变压器三相变压器中把高压侧绕组接成三角形, 低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形, 避免相电动势波形畸变影响。此时, 由区低压电网供电220V负荷, 线路电流不会超过30A, 可用220V单相供电, 否则应以220/380V三相四线供电。
总之, 一般住宅建筑, 尚未发现谐波造成严重后果实例的报导。现阶段, 可不考虑以滤波器抑制谐波而宜采用调谐滤波电容器。但对于公共建筑和通讯机楼, 数据中心应装设调谐滤波电容器组。在设计阶段, 当无法估算谐波值时, 不应盲目地采用有源或无源滤波器, 或采用调谐滤波电容器组。需系统运行之后, 根据实测谐波量, 再确定谐波抑制办法。
摘要：非线性负载所产生电力系统中的谐波对城市电网产生极大危害。产生谐波的谐波源有多种, 本文叙述了民用建筑电气中谐波的危害、测量及治理方法。
关键词：谐波,非线性负载,产生原因,治理
参考文献
[1]宋文南, 刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京:水利电力出版社, 1995.
谐波治理方法 篇8
关键词：谐波治理,智能建筑,有源电力滤波器,混合补偿法
0 引言
随着智能建筑及智能小区的迅速发展, 智能建筑中大量的电子设备及电气设备谐波源产生的谐波对配电系统污染严重, 若治理不力这种污染愈来愈重, 将成为公用电网的主要污染源。因此, 综合治理好智能建筑的谐波和无功功率, 对提高公用电网的电能质量以及提高智能建筑的功能和效益等方面有十分重要的意义。
1 智能建筑中谐波源分类及危害
1.1 智能建筑中谐波源分类
1.1.1 含有半导体非线性元件的谐波源
UPS电源、直流屏、变频调速器、软起动器、气体放电灯、电子镇流器、家用电器及办公电器的直流电源、可控硅调光器、交流调压器等电力电子装置[1]。它们所产生的谐波电流主要为奇次谐波, 也是民用建筑配电系统中主要的谐波源。
1.1.2 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源
交流电动机、变压器、特种光源、断路器和熔断器动作电弧等, 一般情况下同步电机所产生的奇次谐波与异步电机所产生的间谐波和次谐波并不严重, 可以忽略[2]。变压器所产生的谐波电流大小与其铁芯饱和程度有关。
1.1.3 严格意义上讲, 电力网络的每个环节, 包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波, 其中产生谐波最多位于用电环节上。
充气电光源和家用电器更是常见的谐波源, 如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光, 其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器, 因内置调压整流元件, 会对电网产生高次奇谐波;电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机, 也会产生一定量的谐波[3]。这类设备功率虽小, 但数量多, 也是电网谐波源中不可忽视的因素。
1.2 谐波对智能建筑用电设备的危害
(1) 谐波电流使变压器线圈发热, 加速绝缘老化, 寿命缩短, 引起损耗增加和噪声。
(2) 谐波会对保护、自动控制装置产生干扰, 造成误动或拒动。
(3) 使照明设施的寿命缩短。
(4) 电压表、电流表、电能表等仪器受谐波影响造成测量误差。
(5) 对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰。
(6) 谐波容易引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生串/并联谐振。
(7) 谐波电流使配电线路损耗增大, 输电能力降低。
(8) 谐波对电子设备有不良影响。
(9) 无功功率的增加, 会导致电流的增大和视在功率的增加[4]。
(10) 设备及线路损耗增加。
2 几种常见的谐波治理方法
抑制谐波的总体思路有三个:其一是设置谐波补偿装置来补偿谐波;其二是对电力系统装置本身进行改造, 使其不产生谐波, 且功率因数可控为1;其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波[5]。具体方法有以下几种:
(1) 选用适当的电抗器;
(2) 选用适当滤波器;
(3) 采用多相脉冲整流;
(4) 开发新型的变频器;
(5) 选用D-YN11接线组别的三相配电变压器。
3 混合型谐波 (HAPF) 治理方法及工程设备仿真
有源电力滤波器可动态地补偿谐波、无功及负序电流, 而又不会与系统发生谐振, 所以滤波效果比无源电力滤波器好得多。但由于单独使用的有源电力滤波器容量大、成本高, 因而其应用受到限制。将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用, 充分发挥二者的优点无疑是一种较好的选择。
3.1 混合型谐波治理系统结构及工作原理
如图1示。其中, 无源滤波器由3, 5, 7, 9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成, 直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压;滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并入电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除, 它所产生的补偿电压中只含有谐波电压, 故其功率容量很小, 具有良好的经济性, 从而可降低系统成本。
当有源滤波器发生故障时, 通过中断服务程序将有源滤波器停止运行, 封锁有源滤波器的驱动脉冲;并控制交流接触器动作, 从而将滤波器从电网中切除。而无源滤波器还可以正常工作, 不至于对电网造成大的冲击, 这在工程应用上是非常重要的。因此, 这种混合滤波器具有很强的实用性。
3.2 工程设备概况
本文以齐齐哈尔市某电信大楼为实例, 针对大楼产生的电气谐波进行研究, 验证混合式滤波在建筑电气谐波治理中的有效性。本楼地处齐齐哈尔市繁华地段, 地块占地面积为4500㎡;东西约63m;南北75m;建筑物呈L形布置, 主楼2~25层建筑高度为84.6m;附楼10层建筑高度为40.80m。地下室为汽车库和设备用房, 底层为门厅、展示厅、消防值班室。主楼层为综合办公会议室, 附楼二层为机房管理用房, 3~10层为枢纽机房。本工程变电所内设有四台干式变压器, 1#、2#变压器主要提供节能灯、荧光灯、计算机、电梯、变频泵、VRV主机等非线性负载电源, 3#、4#变压器主要提供节能灯、荧光灯、计算机、电梯、UPS不间断电源系统设备及开关电源等非线性负载电源。
1#、2#变压器容量分别为1250k V?A;3#、4#变压器容量分别为1600k V·A。
工程产生谐波的主要设备:
本工程谐波计算所应用的计算原则:
(1) 据甲方要求, 1#、2#变压器互为备用 (一用一备) , 中间联络开关平时均合上, 3#、4#变压器也一样。故1#、2#变压器合在一起计算, 3#、4#变压器合在一起计算。
(2) 计算按照最恶劣的负载工况进行。
(3) 本计算方法考虑正常的电感性负载, 但没有考虑电容性负载。
(4) 1250k V·A及1600k V·A变压器的短路阻抗按6%计算。
3.3 基于MATLAB的仿真计算
本工程的工作条件选择在最恶劣的工况下, 投入混合补偿器, 取得了很好的补偿效果。补偿后的平均功率因数达到了0.94。在基波电流剧烈波动的情况下, 混合补偿器亦能实现跟踪补偿。首先建立一个有源滤波装置的系统图如下图2示, 其中期望值为SCOPE5所显示的波形, SCOPE4显示的为干扰噪声的波形, SCOPE8显示的是滤波后的波形效果, SCOPE2显示的是误差值。RLS自适应滤波器单独作用, 基本结构比较简单, 期望即正弦波, 输入为正弦波与杂波混合后的谐波。
比较仅加装PPF以及加装PPF和APF两种情况下的滤波效果, 得到如图3示的仿真结果。仿真结果表明:APF能有效阻止背景谐波进入PPF, 使混合补偿器具有较强的防止串联谐振的能力。当电压源的频率发生偏移时, PPF的滤波能力下降, 系统电流的THDI由8.3%升到9.8%。此时由于APF的作用, 混合补偿器仍保持了较好的滤波能力, 系统电流的THDI为2.1%。仿真结果证明:由于采用了锁相环来跟踪电源电压的频率与相位, 并将锁相环的输出作为电压参考信号, 将此谐波及无功电流检测方案用数字信号处理芯片 (或其他微处理器) 来实现时, 检测的结果不受频偏的影响。APF能在电压源的频率发生偏移的情况下, 保证混合补偿器仍有很好的滤波能力, 此时由于装置的主要无功元件仍是电感和电容, 混合滤波器的滤波效果还是要受到频偏影响。
由图3可以直观的看到本次运行后的一个滤波效果, 可以说效果非常的明显, 有着其它滤波方式无法比拟的优越性, 但是现在由于技术和材料方面的限制, 有源滤波方式还没能达到现在电力电子方面的技术要求, 所以, 本文建议如果追求高效的滤波效果, 还是应该考虑无源-有源混合滤波方式。在图3中也可以看出, 虽然滤波的效果已经很明显, 但是仍然没有达到我们想要的接近于理想效果的波形曲线, 下面我们将要在原有的基础上再加装一个无源滤波器, 仍然以MATLAB仿真平台作为我们的实验工具, 对原装置进行优化。建立MATLAB仿真系统图如4所示, 按照控制系统的结构图进行电路设计。其中, 解算选项如下:变步长, 最大步长1e-5s, 相对精度1e-5s, 相对精度为1e-3, 算法选择ode23t (mod.Stiff/trapezoidal) , 其它选项选择默认设置。运行后的运行结果如图5所示。图5是SCOPER滤波器中得到的滤波结果, 其余示波器的显示结果此处省略。 (下转第240页)
3.4结果分析
由图5可以看出, 得到的波形已经很接近我们期望的理想状态下的波形。滤波效果达到了95%, 可以说很好的完成了滤波任务。另外, 将图3与图5进行对比可以发现, 单独加有源滤波器的效果明显不如混合式滤波方式的效果, 进一步证明了混合式滤波方式的有效性。
4 结束语
本文开发了一种谐波治理的方法, 分析了一种适用于智能建筑谐波抑制的混合电力滤波器, 对解决当前智能建筑日益严重的谐波污染问题具有重要的现实意义。仿真结果证明本文提出的混合补偿器是可行的, 采用的控制策略合理, 有益于智能建筑中电力系统的无功和谐波综合治理方案的制定与实施。
参考文献
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[3]胡铭, 等.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化, 20003, 24:66-70.
[4]刘宏超, 彭建春, 等.电力系统无功功率控制与优化综述[J].电测与仪表, 2004, 460 (41) :34-36.
有关谐波管理及谐波治理的探讨 篇9
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时, 与所加的电压不呈线性关系, 就形成非正弦电流, 从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数, 根据法国数学家傅立叶 (M.Fourie r) 分析原理证实, 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波, 每个谐波都具有不同的频率, 幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性, 第3、5、7次编号的为奇次谐波, 而2、14, 6、8等为偶次谐波, 如基波为50Hz时, 2次谐波为l OOHz, 3次谐波则是150Hz。一般地讲, 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中, 由于对称关系, 偶次谐波已经被消除了, 只有奇次谐波存在。
2 谐波的危害
理想的电网所提供的电压, 应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值, 但当一用户设备产生较大谐波电流时, 对电网是一种污染, 它使本身设备所处的环境恶化, 也对周围的用户和公共电网设备带来危害, 大致有以下几个方面:
2.1 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗, 降低了发电、输电及用电设备的效率 (如电流谐波增加了电动机的铜耗、电压谐波增加了电动机的铁耗等) 。大量的3次谐波流过中性线时会使线理路过热甚至发生火灾。
2.2 谐波影响各种电气设备的正常工作, 谐波对电机的影响除引起附加损耗外, 还会产生机械振动、噪声和过电压, 使变压器局部严重过热。谐波也会引致电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短, 以至损坏。
2.3 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振从而使谐波放大, 这使上述2.1和2.2危害大大增加, 甚至引起严重事故。
2.4 谐波会导致继电, 保护和自动装置误动作, 并会使电气测量仪表计量不准确。
2.5 干扰计算机系统正常工作, 对电子线路设备造成不稳定工作状态, 严重时以致无法正常工作, 或因设置的参数波动较大, 影响正常使用。
同时, 因系统中谐波电流普遍存在, 谐波电流造成的电气设备故障及受电设备故障与日俱增, 对其潜在的危害, 容易诱发事故, 提高成本代价, 对经济效益造成损失。据权威部门统计, 在我国每年有近数百亿元的损失。种种迹象表明, 谐波已逐渐成为影响电网稳定运行、劣化电能质量的潜在威胁。
3 谐波干扰实例
案例:鹤山某工厂自投产以来, 在供电网正常供电的情况下发生多次设备自动跳闸故障, 造成生产线非计划停运, 给工厂带来重大的经济损失。为此, 技术人员对厂内供电系统进行了故障分析和研究。根据工厂记录, 导致停电事故的电网瞬间电压异常现象, 但相邻的其他工厂同时段并没有出现相同跳闸故障。经过该厂的用电设备进行了统计和分析, 发现该厂主要生产塑胶印刷制品, 属于连续性生产企业, 低压配电网中使用了大量变频调速电机, 可能存在较为严重的谐波污染。
为此, 在厂内低压供电系统设了6个监测点, 包括两台专用变压器的低压出线和四路馈线, 接线图如图1-1:
通过连续的监测, 发现6个监测点的电流波形顶部都出现了较大的畸变如下图:
分析图1-2:电流波形的顶部产生了较大的畸变, 波型呈明显的矩形波, 表明电路中存在较多的非线形负载, 受其影响电流产生的谐波波成份较多, 波形也产生了严重的畸变, 实测中峰值电流为4.55KA, 电压在325V至-337V之间波动。
分析图1-3:#1号变压器出线电流总畸变率达到34.1%, 远超出国家标准的5%。谐波分布主要为3、5、7、9、11次, 可能对设备损造成严重冲击。谐波分量主要为高次谐波, 谐波的产生使用电设备效率下降, 产生能源浪费。
从上述的监测结果分析可知, 其电网公共接入点谐波含量超标, 从波型上看应该是典型的变频调速装置造成的。变频设备虽然会产生容性无功, 可抵偿部分电感性动力设备的无功需求, 但会产生大量的谐和波电流, 同时该厂使用了大量的电子式节能灯具, 此类灯具也会对系统产生大量的谐波污染。各类谐波在某瞬间叠加后可能会产生较明显的浪涌冲击, 由于客户的设备大多数使用PLC (Program m able Logic Control的缩写, 意思是可编程逻辑控制器, ) , 当由于谐波引起的浪涌冲击严重影响了该电子模块的正常运行, 出于设备的自动保护特性, 出现设备停机的现象。
4 谐波的治理现状
4.1 客户谐波污染问题认识不足
我国1993年颁布GB/T14549《电能质量公用电网谐波》规定:注入公共连接点的谐波电流允许值的用户, 必须安装电力谐波滤波器, 以限制注入公用电网的谐波。《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 (设备每相输入电流≤16安) 》, 要求购置的用电设备, 经过试验证实, 符合该标准限值才允许接入配电系统中。《电业营业规则》第5章第55条也明确规定:电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549的规定。用户具有非线性阻抗特性的用电设备接入电网后运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点电压正弦波畸变超过标准时, 用户必须采取措施予以消除。否则, 供电企业可中止对其供电。
但在实际工作中, 由于客户都对此认识不足, 谐波治理工作往往被认为是供电部门的工作, 使客户端的谐波问题一直得不到有效的控制。当供电部门提出要客户端进行数据监测时, 往往很难得到客户的支持和配合。
4.2 缺乏有效的管理机制
尽管国家已经明确规定了, 谐波治理依据“谁污染, 谁治理”的原则。但由于缺乏有效的制约手段, 在实际工作中, 供电部门往往只能对有治理意愿的用户采取措施, 用户处在谐波管理的主导地位, 这使客户端谐波管理显得十分的被动。
同时, 由于谐波治理往往需要投入较大的资金, 这使谐波治理面临着实际运作的困难, 目前电网中大量用户中存在谐波源, 但真正落实措施治理的却屈指可数。
4.3 缺乏有效的技术支持
谐波治理工作是一项专业性极强的工作, 需要有专业力量去完成监测、分析和治理。而事实上, 供电部门, 尤其是基层供电单位, 极度缺乏此类专业人才, 造成谐波治理工作瓶项。
5 加强谐波治理的措施
谐波治理是个系统工程, 谐波问题的解决需要供电部门、用户及设备制造商的协调合作。为了减轻和限制谐波的影响, 可以从管理措施和技术措施方面加强对谐波治理。
5.1 管理措施
5.1.1 加强对谐波管理工作的常态化供电部门必须把谐波管理纳入日常的生产管理中, 通过制定《客户端谐波管理办法》, 明确谐波管理的管理机构、管理方式、管理标准等主要方向, 从制度上强化谐波监督管理。
5.1.2 加强对谐波治理队伍建设由于谐波的产生复杂多样, 专业性、技术性强, 因此, 必须建立专业的谐波治理队伍完成对客户端谐波的监测、分析和治理。对没有条件建设谐波治理专业队伍的, 可以选择与社会上具有较强技术力量专业机构合作, 完成对谐波管理技术支持。
5.1.3 建立设备准入制度变频器、整流器的结构、型号各式各样, 生产厂家亦良莠不齐, 所以有必要建立供电系统的准入制度, 把设计落后的产品、达不到抑谐标准的设备拒于系统外。
5.1.4 建立良好的客户关系用电客户作为谐波治理重要的参与力量, 是谐波治理的基础。大力向用户宣传谐波的危害, 争取用户的支持合作。可通过走访用户、举办电能质量讲座等形式, 提高用户对电力系统的了解及电能质量问题的认识, 建立双赢的供用电关系。
5.2 技术措施
5.2.1 改造整流设备的换流装置对于改造整流设备的换流装置, 采取特殊的接线方式或将相数较少的换流变压器联结成等效的多相形式, 增加换流器相数, 或利用相互间有一定移相角的换流变压器, 有效的消除较大的低次谐波。
5.2.2 动态无功补偿装置 (简称SVC装置) 对于中频炼钢炉、电弧炉、电力机车、卷扬机、轧机等用电负荷不稳定, 变动频率较高的设备, 不仅会产生较强的高次谐波, 而且极易引起电业电压的波动和闪变。甚至造成系统三相严重的不平衡, 严重影响电网的供电质量。采用SVC与谐波源并联, 不仅有效的减少谐波量, 而且具有抑制电压波动、闪变, 增加系统阻尼, 提高系统功率因数, 保证电网质量的功能。
5.2.3 采取技术措施加强电容器管理由于当频率增加时电容性电抗就减少的特性, 电容器对供电电压的谐波分量特别敏感, 即相对较小比例的谐波电压可以引起很大的电流流入电容回路。如果电容器组或电力系统所连接的电抗的自然频率接近与一个特定的谐波, 就会发生局部谐振, 在这种情况下, 增高的电流就会引起电容器的过热, 可以采用以下的方法: (1) 并联谐波滤波器或谐波抑制电抗器; (2) 有源电力滤波器; (3) 混和滤波器。
谐波测试及治理 篇10
电力系统中谐波的危害主要体现有以下8个方面:
1、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。三相配电线路中,相线上3的整数倍谐波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。从而降低电网电压,浪费电网的容量,影响电网供电质量。
2、对电力设备的危害
当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。使电容器鼓肚、击穿或爆炸等,从而加大电力设备损坏,减少用电设备寿命。
3、对电力变压器的危害
谐波使变压器的铜耗增大,铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。谐波还导致变压器噪声增大,随着谐波次数的增加,振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加,从而对变压器造成损害。
4、对电力电缆的危害
由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流值减小,不仅对电缆造成损害,而且电量在线路传输过程中损耗过高。
5、对低压开关设备的危害
对于配电用断路器来、电子型的断路器说,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,且谐波次数越高影响越大,使得额定电流降低与脱扣电流降低,谐波也要使其额定电流降低,三种配电断路器都可能因谐波产生误动作,从而对低压开关设备造成危害。
6、对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰,而干扰弱电系统,影响弱电设备正常工作。
7、影响电力测量的准确性
目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确。
8、谐波对人体有影响
其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场,从而会对人体造成危害。
从走访企业调查发现部分生产企业其用电设备中,装有晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。我们知道,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的百分之三十;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近百分之四十,这是最大的谐波源。设备端的电弧炉、电石炉,由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2、7次的谐波,平均可达基波的百分之八、百分之二十,最大可达百分之四十五。
通过现状调查和数据分析,电网谐波来自于2个方面:一是输配电系统产生谐波;二是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。
随着工业和节能技术的发展,非线性负荷日益增多,供电系统中波形偏离正弦的畸变程度日趋严重,对电力系统和用电设备将产生重大影响和危害。所以加强对谐波治理,加装滤波器。将对全局提高供电质量、进一步提高电力测量的准确性、减少电力变压器和电力设备的危害等方面将是非常有益的。
治理谐波干扰提高供电质量是供电企业不可忽视的工作,谐波不仅严重影响电力系统的合理经济运行,同时对目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确等问题。使线损增量变大,直接影响供电企业的经济效益。
根据《供电营业规则》第五十五条规定,电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准(GB/T14549-93)的规定,和黑龙江电力网电能质量技术监督管理规定第1.5条规定:因电力网或用户负荷原因引起的电能质量不符合国家标准时,按“谁干扰,谁治理”的原则,有指导性的进行了改造。
对有产生谐波源的用户可根据国家规定进行改造,加装谐波动态补偿装置。解决无功、谐波和各相负荷不对称问题,可以满足谐波超标、三相严重不平衡且动态变化的负载(如电弧炉)的等问题场合。采用该装置由无功和谐波补偿网络、有源滤波器、检控与保护系统等部分组成。无功和谐波补偿网络由电抗器、电容器及功率电子开关组成,按容量等级分组投切,用以补偿大部分的无功和低次谐波电流,同时保证电源电流三相大体平衡。有源滤波器一方面用以补偿剩余的无功及高次谐波电流,另一方面用以完成无源网络的级间过渡区域的补偿,实现装置在大容量范围内的无级动态补偿。这种有源与无源配合的方案,可以最大限度地提高补偿容量;补偿容量具有较大的扩展范围。
为防止谐波问题的再发生,供电企业首先,考虑到输配电系统中电力变压器能产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。所以对电力变压器要进行技术改进。能够调整铁心的饱和程度,使的变压器工作点偏离线性偏移度减少,其中3次谐波电流达到额定电流的百分之零点五。其次,在用电设备中,下面一些设备都能产生谐波晶闸管整流设备。在铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。整流装置为单相整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大,所以由整流装置产生的谐波占的比例是最大的谐波源,当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确等问题。使线路损耗增量变大,直接影响我们的经济效益。所以我们采取对产生谐波源的用电设备加装谐波补偿装置。
谐波治理方法 篇11
关键词：轨道交通 谐波 有源滤波器
中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-047-02
电力系统对于电能质量通常是使用频率和电压来衡量的，但是要完整的表征电能质量，仅用频率和电压这两项指标是远远不够的。波形的畸变、电压的闪变、和三相电压电流的不平衡等等都是影响电能质量的重要因素。
近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域，计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的重要因素。在诸多公共服务领域，特别是轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。
1 轨道交通供电系统中的谐波源
谐波，我们通常也称它为高次谐波；主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在轨道交通供电系统运行中，负载具有波动性和不确定性，整流负载，非对称运行，容易造成谐波污染。一般来说，轨道交通供电系统中电子开关型非线性设备，主要为交、直换流装置及晶闸管构成的可控开关设备，如变流器、变频装置、晶闸管型直流提升机、整流装置等。比较典型的谐波源有：电机设备、变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器；LED广告牌；变电所直流屏、UPS电源屏；弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备，电梯、扶梯、屏蔽门等。
2 轨道交通供电系统的谐波危害
轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：
（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。
（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。
（3）对无功补偿电容器组引起谐波或谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。
（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。
（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁；导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾；影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。
（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。
（7）电压畸变对照明设备，如白炽灯等的寿命有一定的影响。
根据测试经验，机车通过时，电压总畸变率最大值可以达到7.7%，11次谐波电压最大值为7.3%，13次为1.9%。电流总畸变率最大值可以达到为8.3%，其中5次为4.5%；7次为3.4%；11次为5.6%。
3 谐波治理的三种措施
（1）受端治理，主要是提高受谐波影响的设备或系统的抗谐波干扰能力。一般采用的措施有：在设计规划中阶段选择合理的供电方式；改进设备性能以提高抗谐波干扰能力；通过改变电抗器或者限制电容器投入容量减少谐波因电容器的放大；采用谐波保护装置改善谐波保护性能等。
（2）主动治理，主要是致力于降低谐波源本身产生的谐波量。一般采取的措施有：充分考虑谐波源的互补改变配置或工作方式；增加变流装置的脉冲数或相数；谐波电流叠加输入；用多重化技术消除频率比较低的谐波；采用脉宽调制技术；采用高功率因数变流器等。
（3）被动治理，主要是通过安装滤波器，阻碍电力系统或供电系统中的谐波流入负载端。一般采取的措施是使用滤波器。滤波器有无源滤波器PF、有源滤波器APF、混合型有源滤波器HAPF等。
4 有源滤波器APF（含HAPF）
相对无源滤波器而言，有源滤波器更为动态、灵活，可以实现实时控制，因此，在众多的谐波治理方案中，有源滤波器APF已经成为谐波治理的首选方案和发展方向。
4.1 APF的优点
有源滤波器APF（含HAPF）能实现动态治理，有效降低系统中的谐振电流或谐振电压，并能动态跟踪系统无功变化，提供从感性到容性的无功功率补偿，改善功率因素。总的来说，主要具有以下几方面优点：
（1）在滤波特性和补偿特性上，系统阻抗的变化和电网频率的变化对于有源滤波器没有影响。
（2）在滤波性能效果上，无源滤波器只能针对特定次数谐波进行补偿，而有源滤波器可以同时滤除2～50次以内全部谐波或指定次数的谐波。
（3）一台滤波装置就可以完成各种谐波的治理，而且可以集中治理多个谐波源，滤波效果可以达到90%以上，手段更为灵活，投资更为节省。
（4）在运行中能够根据系统谐波的频率和大小的变化，迅速做出响应和治理，响应速度一般可以达到1ms以内。
（5）具备系统不平衡补偿能力，可以在滤波的同时，动态补偿系统无功功率和负序，改善功率因素。
4.2 有源滤波器APF的运行示意图（如图1）
4.3 有源滤波器APF的产品分类及接线方式
（1）三相三线制APF。
适用于整流器、变频器、大型UPS、中频炉、电弧炉、SCR调功器等工业非线性负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是工业谐波负载的有效治理设备。
（2）三相四线制APF。
适用于制造、通信、低压动力照明、商用办公大楼照明、SCR调功照明、电脑、UPS、电梯、变频等在中线中产生三次谐波电流的负载。可同时滤除2～50次的全部或选定次数的谐波，响应时间小于1ms，是商业谐波负载的有效治理设备。
5 APF应用实例
SH城市轨道交通各线路的供电系统中存在低压母线高次谐波超标的情况，出现无功补偿电容器漏油、鼓肚、烧毁的情况，也给弱电系统的正常、安全运行带来了威胁。经过论证，取消传统的纯电容无功补偿的设计方案，采用了串接电抗器的无功补偿装置和有源滤波器并联使用的设计方案。经过一段时间的运行证明，有源滤波器的投运，有效降低了供电系统中的高次谐波。
参考文献：
[1] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
电力谐波抑制及治理 篇12
1 增加换流装置的相数
整流设备所产生的谐波次数是n=N·i±l, 式中n为谐波次数, N为脉冲次数, i为大于等于1的整数。实际应用中有许多采用的是三相全控桥六脉冲整流, 若选用十二脉冲整流, 其线电流包含的谐波次数是11、13、23、25、…。而每一谐波分量的幅值是 (其中, Ifound表示基波电流) , 可以发现这比用六脉冲整流有更大的改善。对于大容量的变流器, 设计时尽量增加整流相数, 相数越多注入电网最低谐波次数越高, 谐波电流越小, 滤除越简单。例如: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%;若将整流相数增加为12相, 则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5%, 7次电流下降到基波电流的3%。在采用并联多重联结的整流电路时, 必须采取有效的措施保证可控电力电子元件触发移相的同步性, 否则将会产生更大的谐波电流。
2 防止并联电容器组对谐波的放大
并联电容器在电网运行的过程中能够有效的提高功率因数, 同时也能够对波动电压进行有效的调节, 但是如果在电网运行的过程中存在着一定的谐波, 电容器会在特定的条件下对谐波产生放大的作用, 为了防止这种现象的出现, 我们通常可以采取以下措施:首先是收变与电容器串联的限流电抗器。其次是将电容器的一些线路调整为滤波器。再次是对电容器的容量加以有效的控制。
3 增装动态无功补偿装置
3.1 无源滤波 (TSF)
无源滤波装置通常就是指一些无源器件所组成的谐波治理和无功补偿的设备, 这些设备一般是几个无源滤波器通过并联的方式组织在一起的。每一个滤波器在某一个频带内或者是两个谐波频率的周围呈现出了低阻抗的特点, 它能够十分有效的对谐波电流进行吸收处理, 这样也就使得电网当中的谐波电流量越来越少, 这样也就可以达到控制谐波数量的目的。此外在这一过程中还要做一定的无功补偿, 这种滤波器使用过程中比较简单也比较方便, 但是它也存在着一定的不足。首先是其只能对几次谐波进行抑制, 同时在某些条件下对谐波会产生一定的放大作用。其次是智能对某些无功加以补偿, 不能保证补偿的准确性。再次是其自身的质量和体积相对较大。
3.2 有源滤波 (APF)
通常, 交流器所产生的高次谐波会伴随着实践的变化而不断的变化, 所以在这一过程中, 我们通常采取的是静止滤波和补偿器全部补偿。采用有源滤波器就可以达到很好的效果, 同时在这一过程中它扮演着大功率波形发生器的角色。其将谐波经过来样、180°移相之后完整的复制, 同时在这一过程中还要将其送到谐波源的如网点位置。复制的谐波和原来的谐波幅值是不同的, 其方向也是完全相反的, 此外在这一过程中其还会随着原谐波的变化而产生一定的改变。这样一来也就使得原来的波形被完全的抵消。有源滤波在运行的过程中主要采用的是模拟及数字逻辑电路, 这样一来就可以对包含一个谐波的电荷进行并联处理。这种有源滤波器在运行中所产生的谐波电流和负荷所产生的谐波电流是完全一致的。其相位则是完全相反的。有源滤波器在运行的过程中可以在电网当中的任意一点进行接入处理, 在测量完全结束之后就可以使得在电网不通畅的关键位置产生谐波畸变。在对有源滤波器的具体规格进行确认的时候, 必须要对补偿电网系统的接线设计图和额定电压、频率以及谐波电流等因素予以充分的了解。
有源滤波器通常由两个部分构成, 一个是指令电流运算电路, 一个是补偿电流发生电路。指令电流运算电路的关键就是要对补偿对象电流的谐波和无功等电流分量进行全面的检验和检测。补偿电流发生电路一般情况下是按照指令电流运算电路所发出的指令信号, 这样一来也就出现了电路运行所需要的补偿电流。zs是交流电源, 而器负载就成为了最为重要的谐波源。APF所检测出的负载电流A的谐波分量相对较小。借助运算输出指令信号, 补偿电流发生电路所产生的补偿电流也逐渐的减小, 这样一来也就使得电源侧的电流谐波得到有效的控制, 甚至只有基波。
按照接入电网的方式, 有滤波器可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器, 近年来又设计出串联混合型和计联混合型滤波器。有源滤波器虽然在谐形治理上有其突出特点, 但其有损耗较高, 综合成本比无源滤波器高出很多, 故在大容量的滤波器装置上目前还广泛采用。随着微电子控制器和电子半导体器件的发展, 有源电力滤波器的性价比会越来越高, 因此有源滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。有源滤波与无源滤波相比, 有如下显著的特性:a.可滤之谐波次数高达50次。b.可以选择仅消除谐波操作模式或既消除谐波又进行无功功率补偿的操作模式。
有源滤波器虽然在谐波治理上有很多优点, 但因使用了大量的大功率电力电子器件, 单独使用有源滤波器成本很高。有不少国内的工矿企业原来就安装了大源滤波装置, 只是目前为了少产生和改进现有设备的需要而大量地使用了二极管整流或晶闸管相控整流装置, 使谐波种类更多、谐波量产生得更大, 致使原有的无源滤波装置无法满足新的需要, 而更新选购大容量的有源滤波装置成本又太高。因此, 建议不妨将小容量的有源电力滤波器与原有的无源电力滤波器共同使用, 构成混合电力滤波器。如APF与TSF串联混合使用, 谐波主要由TSF补偿, 而APF的作用是改善TSF的滤波特性, 可抑制电网阻抗对TSF的影响, 并抑制电网与TSF之间可能发生的谐振, 进而提高TSF的性能。在降低滤波器总成本的前提下提高滤波器性能, 无疑是符合我国国情的一种好选择。
结束语
谐波对电路运行的安全性和稳定性会产生非常大的影响, 所以在电力系统运行的过程中, 我们必须要对这一问题加以重视, 同时在这一过程中根据不同的情况还要选择不同的处理方式, 笔者结合自己的实际经验对电力谐波控制的方式进行了简要的分析, 希望能够给电力工作人员提供一些有价值的参考。
参考文献
[1]何娜, 黄丽娜, 武健, 徐殿国.一种新型快速自适应谐波检测算法[J].中国电机工程学报, 2008 (22) .