高次谐波的治理

高次谐波的治理（共6篇）

高次谐波的治理 篇1

摘要：简要介绍了供电系统高次谐波的来源、危害性, 并针对其形成机理分析了减少和减轻高次谐波的可行性方案。另外, 还对遏制高次谐波的具体方法进行了讨论。

关键词：高次谐波,危害,防治措施

国民经济的发展日新月异、科技水平和人民生活水平也在不断地提高, 要顺这样的时代潮流铁路运输就必须做到安全高效。要保证铁路运输安全高效的运行, 如何提高供电质量和可靠性也就成为了我们电力专业目前工作的重点。众所周知影响供电质量和可靠供电的不利因素较多, 其中高次谐波对供电系统的影响及危害就不容忽视。

1 高次谐波的危害

高次谐波可以对供电系统的电力、电子设备及其通信产生较大的影响、甚至造成危害。

1.1 对供电系统电力设备的影响和危害

1) 发电机、电动机、变压器:高次谐波电流可使设备内部的线圈、铁芯的阻抗因发热而增加, 严重时还会造成损坏。2) 电容器:高次谐波电流可使电容器过载、发热。同时还会使已经存在的谐波和电压峰值加大, 造成更大的破坏性。3) 低压供电系统:高次谐波电流可使低压供电系统中中性线电流过大, 最大时可达到相线电流的两倍以上。即便在三相负荷平衡时, 也不能抵消。

1.2 对供电系统电子设备的影响和危害

1) 电气仪表:高次谐波电流可对设备内部的线圈产生影响, 造成误差。2) 电子计算机、微机保护部件、精密仪表:高次谐波电流会影响他们的正常运行, 导致误动作或数据错误。

1.3 对通信线路的影响和危害

通信线路:高次谐波电流会对通信线路产生静电干扰和电磁干扰。

2 高次谐波的形成原因及主要来源

2.1 高次谐波的形成原因

正常供电时电压的波形应为正弦波, 由于大量使用非线性设备而产生了高次谐波。这是由于, 非线性元件在供电电压的作用下吸收了非正弦波电流, 各次谐波电流在电网的阻抗部分会产生谐波压降;这些谐波压降迭加在基波上, 会使正弦波电压产生畸变。

2.2 高次谐波的主要来源

1) 整流设备:电解整流设备 (特别是大功率设备) 依据其整流相数的不同, 可以产生5、7、11、13、17、19等高次谐波。2) 电弧炉:电弧炉在运行时:熔化初期, 奇、偶次谐波均可产生;溶解期, 奇次谐波较大;冶炼期, 谐波较小。主要产生3、5次谐波, 以3次谐波为主。3) 电力变压器、电抗器:电力变压器、电抗器的铁芯是非线性的。当其饱和时, 就会产生高次谐波。主要产生3、5次谐波, 以3次谐波为主。4) 交流电力调整装置:与整流设备相同。5) 家用电器:它们主要产生3、5次谐波, 以3次谐波为主。6) 气体放电灯:它们的整流器, 主要产生3次谐波。

3 减少和减轻高次谐波的可行性方案

3.1 减少高次谐波的可行性方案

当有两台电解整流设备、电力机车、电气传动等换流设备时, 可以采用等效12相整流系统 (如图一所示) :

若两台设备的直流电流相等时, 则其5、7、17、19等次谐波电流刚好大小相等、方向相反。那么, 这些谐波电流仅在一次侧接线中环流, 而不会流入电网中对其造成损害。采用上述措施后, 仍然会有11、13等次谐波流入电网。即便如此, 治理电网中谐波的工作量也将大大简化。另外当等效相数超过12相时, 将增加设备的投资、并给维修和运行带来极大的不便。当等效相数超过24相及以后, 谐波电流幅值的降低效果会变差。结合目前国家现行的谐波相关规范要求考虑:当有多台设备运行时, 采用24相等效电路也就可以了。

3.2 减轻高次谐波危害的可行性方案

当电网中已经存在高次谐波时, 为了减轻高次谐波的危害, 我们可以在工程中采取下述有效措施:

1) 在三相四线系统中, 采用D, Yn11接法的变压器。这样可以减低三次谐波的干扰, 并且还可以降低零序阻抗。2) 在电容器回路中串联电抗器, 可以拟制电容器对高次谐波的扩大作用。3) 在以气体放电灯为主负荷的供电系统中, 加大中性线截面 (与相线截面相同) 可以降低火灾隐患。4) 采用隔离变压器, 可以有效的阻断高次谐波的传播。5) 将敏感用电设备与容易产生谐波的设备分开供电。

4 遏制高次谐波的具体方法

要想真正彻底的消除高次谐波是很难办到的。为了消除高次谐波的危害、提高供电质量、保证电网和用电设备的安全, 国家颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》 (SD126—84) 。暂行规定对波形畸变率的极限值、谐波电流的允许值都做了详尽的规定。

非线性用电设备的用户虽然可以一定的措施限制和拟制谐波电流, 要想达到国家SD126—84的要求也是相当困难的。因此, 安装滤波装置就显得较为可行和经济。滤波装置一般包括几台奇次谐波滤波器和一台高通滤波器组成。下面就对它们的作用和工作机理做以描述。奇次谐波滤波器的作用对象是:3、5、7、11、13等奇次谐波中的某次谐波。它的作用原理是串联 (电压) 谐振, 即:在某一谐振频率下, 使谐波感抗和谐波容抗相互抵消, 从而减小谐波分量、改善电压畸变。高通滤波器的作用原理是二阶高通滤波, 即:当频率低于某一数值f0时, 滤波器阻抗明显增加, 低次谐波电流难以通过;反之, 当f>f0时, 滤波器阻抗变小, 形成通带。

5 结语

抑制高次谐波不但可以提高供电质量、保证电网和用电设备的安全, 同时还能提高功率因数。高次谐波不但要从源头就开始加以限制, 在区域变电站等处也应当安装滤波装置。除了装设必要的滤波装置, 还应当加强监测和监管等方面的工作。

参考文献

[1]中国航空工业规划设计研究院组编.工业与民用配电设计手册.中国电力出版社.

[2]戴瑜兴主编.民用建筑电气设计手册.中国建筑工业出版社.

钢铁企业的无功补偿与谐波治理 篇2

【关键词】冶金企业；无功；谐波；防治；效益

1. 概述

电力系统中大量的负荷是电感性的，因此我们将吸收感性无功功率的负荷称为“无功负荷”，而将吸收容性无功功率的设备称为“无功电源”。无功补偿就是吸收或供给适度可变的无功功率，以改善交流电力系统的供电质量。冶金设备具有容量大、大部分为感性负载、电流冲击大、起制动频繁、快速性、自动化程度高、工作连续性等特点，是用电的大户。用电设备大量使用直流电动机和变流器驱动、交流电动机变频调速驱动、变压器、电抗器、电力电子装置等非线性负载。

2. 常用的无功补偿的方法和作用

企业常用同步补偿机、同步电动机、同步发电机、并联电容器、静止无功补偿装置、静止无功发生器。通过无功补偿，可以提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。在电弧炉炼钢、轧机等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

3. 谐波的产生及危害

（1）谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解得到的大于基波频率数倍的各次分量，通常也称为高次谐波。每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以分为偶次与奇次谐波，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

（2）谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，如整流装置、交流调压装置。电压源型变频器的逆变部分使用的是快速电力电子半导体器件如IGBT，使得变频器从电网中吸取的是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成的非同期正弦波电流。

（3）造成电力系统的无功冲击、电压闪变、波形畸变及谐波危害的根源主要来自系统外部用电负荷，因此解决电力系统的无功补偿及谐波治理应首先从源头抓起，改善用电设备的自然功率因数和减小用电负荷的谐波是根本措施，同时采用人工补偿和滤波方法。

4. 无功补偿谐波治理方法

4.1设置并联电容器。

电容器大量用于电力系统的无功补偿和谐波滤波。其补偿方式有以下几种。

4.1.1就地无功补偿及滤波。

在低压负荷侧采用低压并联电容器串接电抗器对单台用电设备进行补偿。

4.1.2分散无功补偿及滤波。

对负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器串接电抗器，安装在各个低压电气室，可减少线路损耗和提高变压器的输出功率。

4.1.3集中无功补偿和滤波。

在总降变电所或功率因数较低、负荷较大的配电室的高压母线上集中安装高压电容器组串接电抗器，如图5中的C4、L4部分。目前大中型钢铁企业普遍采用这种方式。

一般无功补偿装置同时具有谐波滤波作用。

4.2静止型动态无功补偿及谐波滤波器SVC（static var control）。

（1）静止无功补偿装置简称SVC（StaticVarCompensator）是指没有运动部件的无功补偿装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，近年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止型无功补偿装置的主导地位。因此SVC往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC）或者晶闸管控制电抗器与固定电容器的混合装置（TCR+FC），晶闸管控制电抗器与机械投切电容器的混合装置（TCR+MSC）等。

（2）SVC的作用在于保持系统电压稳定，减少电压闪变；吸收动态无功功率，减小损耗；提高功率因数；吸收高次谐波，减少谐波公害；补偿三相负荷的不平衡特性；提高供电系统的动态和静态稳定性，保证供电质量。

4.3LC无源滤波器。

LC滤波器也是无源滤波器，是抑制滤波的一种传统、常用的方法。是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联使用。这种方法即可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。

4.4有源滤波器APF（active power filter）。

有源电力滤波器是一种新型动态无功补偿滤波装置，由自关断电力电子器件构成。与无源滤波器的最大区别在于，它向交流电网注入补偿电流，其幅值与负载注入电网的谐波电流的大小相等，相位差180°，以抵消负载所产生的谐波电流。它由静止功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性，能有效地解决无源滤波器存在的缺点，是电力系统无功补偿谐波治理的发展方向。

5. 冶金企业的无功补偿及谐波滤波技术

钢铁企业的用电设备，按工艺大致可分为高炉、转炉或电弧炉、初轧、热带连轧、棒线材连轧、冷轧及有色金属电解等，普遍采用直流电动机晶闸管变流器供电或交流电动机变频调速，普遍存在无功冲击大，功率因数低，谐波含量大，电压波动和闪变，电力损耗大，吨钢耗大等问题。为此，普遍对用电设备应用多重化多相变流技术和设置无功补偿及谐波滤波器，对改善电网供电质量、节省电能、提高用电设备出力、降低吨钢耗起到了积极作用。轧机、电弧炉等冶金设备使电网电压发生波动和闪变，三相不平衡，电网功率因数低，线路损耗增加，谐波含量超标，已造成谐波公害，严重危害电力系统的安全运行和电气设备的安全经济运行。因此，解决好电力系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证电力系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。

5.1隔离干扰源，减少谐波侵入。

针对电控系统，我们采取了隔离的方法。所谓隔离干扰，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，便它们不发生电的联系。首先我们将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立。在变频器的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。其次我们将电动机和变频器之间的电缆全部加穿钢管敷设。

5.2改造电力电子装置，减少谐波含量。

针对除尘风机等大力率用电设备进行了改造，增加辅助控制来减少或消除谐波，主要采用的技术方法有：

（1）在变频器交流输入侧设置交流电抗器，增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波。

（2）在整流桥和滤波电容之问串联直流电抗器进行滤波，提高功率凼素。

5.3安装电力滤波器，提高滤波性能。

为了降低变频器输出的高频电压强度或改善电磁兼容性能及电机的运行工况条件，净化电网，电力滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。滤波器一方面起到改善电网的平衡度，提高传动系统的性能，维护电机的使用周期，另一方面也保证了电机稳定运行，满足生产的要求。为了抑制谐波，可以选择在电源与变频器输入侧之间加装滤波器。通过仿真和实验数据，，它具有以下主要功能作用：

（1）增大输入阻抗来有效抑制高次谐波电流。

（2）减少电源浪涌对变频器的冲击。

（3）减少三相电源不对称对变频器的影响，提高输入电源的功率因数。

（4）降低进线电流的波形畸变率。也可以选择在变频器输出侧安装滤波器，它具有以下主要功能作用：降低变频器IGBT开关时的电压峰值及du/dt值；减少电缆容性充电电流，增加电缆的临界长度。

6. 结束语

高次谐波的治理 篇3

1 高次谐波检测方法的一般原理

瞬时无功功率理论不是以一般的平均值定义为功率的, 它引入了瞬时无功功率的概念。以数学上的矢量和矩阵的知识为运算工具, 借助一些滤波仪器的功能测量出电路的电流谐波的。运用瞬时无功功率理论的高次谐波检测的思路是把输入信号的高次谐波基波分量经过一定的数学处理换算成直流量, 然后通过一定的仪器设备得到高次谐波基波直流量的值, 再把它反算为高次谐波的正序和负序基波分量值就可以算出电路中的电流高次谐波的值了。由于瞬时无功功率理论一般适用于三项三线形式的电路我们把一个三线三项的电路作为例子介绍检测高次谐波的方法。假设他们的瞬时电流为ⅰA, ⅰB, ⅰC, 瞬时电压为uA, uB, uC。将他们带人到两相坐标系中得到的瞬时电压和电流即为ⅰa, ⅰb;ua, ub。可以得出由于, 把上式代入可以得到结合有关知识和公式最后可以得出。和传统的方法相比较, 这种检测高次谐波的方法第一点不同的是它通过正序变化得到电流的正序量, 然后通过负序矩阵的变换得到负序量。在把则两个值通过特定的仪器滤波得到正序直流量和负序直流量。第二点不同的是, 把直流量分别进行反运算得到的就是高次谐波的经过正序矩阵变化的正序值和经过负序矩阵变化过的负序值。把这两个值相加得到的就是我们要检测的数据。这种检测方法是在传统的谐波检测法的基础上进行的改进, 需要充分理解谐波检测的原理并考虑到高次谐波的特征, 对谐波进行负序量值的检测。这一方面增加了计算的复杂度, 另一方面也在技术上保证了检测结果的精确。

2 检验ⅰa-ⅰb检测法是否有效的仿真试验

上述的高次谐波检测法检测到结果是不是符合实际的情况, 能不能把检测到的数据应用到电网的谐波治理中?为了很好地解释这些疑问, 我们需要对改进的高次谐波检测法进行仿真实验。我们首先对传统的检测方法进行仿真在和改进后的检测法进行比较就可以得出高次谐波检测法是否实用可靠。传统的检测法仿真实验分为两种情况, 第一种是电网的电压比较稳定没有发生畸变时的仿真情况, 另外一种是电压有畸变时的仿真情况。考虑到获得高次谐波的直流量时会发生一定的延时在选择滤波仪器时要借助仪器的性能消除这一不利因素的干扰。我们把检测到的数据进行仿真分析得到如下图的结果:

结果显示在电网的各电路的电压稳定没有畸变等不利情况出现时, 检测的结果符合实际情况, 说明我们改进的ⅰa-ⅰb检测法可以准确的检测出电路电网中的量值。仿真实验的数据处理要使用一些专业的仿真软件, 对软件的使用性能也有很高的要求我们一般使用Matlab软件进行数据处理。

当电网的电路中存在畸变电压时, 我们需要假设畸变发生的地方和畸变的程度对于的基波分量的影响。下图的结果是在电压畸变发生在检测的第5次和第7次时, 并造成高次谐波的量值有5%和4%的偏差。仿真的分析结果可以参看下图:

可以看出当电路的电压出现异常时, 会对基波的分量值造成干扰传统的检测法不能消除电压波动造成的不良影响。接下来, 我们要把改进检测法检测到的数据输入到数据处理软件, 在把得到的波形图与传统检测法的波形图进行一个比对分析。可以明显的看出来, 传统的检测法只能检测到谐波电流的基波量值可以换算得出电路的总的电流谐波量。而改进过后的方法可以检测到基波的正序量值和负序量值进而可以计算出高次谐波的值, 相比于传统检测法只能检测到谐波的正序量值更适合高次谐波的检测。改进的检测法可以检测到真实可靠的高次谐波的量值, 满足谐波管理的测量要求。

3 结语

本文介绍的高次谐波检测方法是在以前普遍应用的谐波检测法的升级。它打破以往以平均值定义功率的局限, 引入了瞬时功率的相关理论。在瞬时无功功率理论的指导下, 可以很好的检测出电路在电压稳定时谐波的总量和各个基波的正序分量。改进以后的检测方法, 在原有的基础上增加了检测负序分量的步骤, 有效的解决了谐波中对电网危害较大的高次谐波的检测难题。经过仿真实验的检验, 检测的结果成功消除了传统方法检测高次谐波时的误差, 可以为高次谐波的压抑治理和无功功率的补偿工作提供实时有效的数据。

参考文献

[1]马春艳.基于瞬时无功功率的谐波检测方法的研究[J].国内外机电一体化技术, 2009.

[2]薛惠, 杨仁刚.改进的瞬时无功和谐波电流检测理论[J].电力系统及其自动化学报, 2002.

高次谐波的治理 篇4

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.

高次谐波的治理 篇5

随着集成门极换流晶闸管IGCT(intergratedgate commutated thyristors)的技术逐渐发展成熟,近年中压交-直-交、电压源型变频调速装置在冶金行业大功率传动系统中得到了广泛应用,并逐渐成为目前中大容量(2 000~10 000 k W)轧机传动系统的技术主流。

IGCT是在GTO器件基础上发展起来的新型电力半导体开关器件,具有开关频率高、阻断电压高以及导通损耗低的特点。使用IGCT器件制造的中压变频装置可以全功率4象限运行,并且输出功率大、控制精度高、结构紧凑。但IGCT变频器产生的高次谐波在特定频率下可能与电网产生并联谐振,使得谐波电压数值超标。

2 高次谐波影响

IGCT器件的开关频率较高,一般可以达到2 k Hz。此时,变频装置的功率因数可以达到0.97以上,相对于传统交-交变频装置,IGCT变频装置较大幅度地减少了无功冲击和5,7,11,13等低次谐波的发生,很多场合甚至无需设置SVC或滤波装置。

但调制频率高也会带来一定的问题,在某些供电系统中,电缆线路的充电电容与系统阻抗会发生并联谐振,变频装置产生的高次谐波经系统放大,最终导致多次谐波电压和总电压畸变指标超标,影响系统内电气及控制设备的正常运行。此时必须采取针对性的谐波治理手段,减小谐波阻抗、消除谐振点,使谐波电压数值满足限值要求。

本文针对某钢铁厂热轧35 k V供电系统出现并联谐振,多次谐波电压和总电压畸变率超标的实际案例进行深入分析,通过建模计算和原因分析,采取高次谐波滤波措施,有效抑制了系统对高次谐波的放大作用,改善了电网电能质量,取得了较好的效果。

3 谐波计算分析

3.1 系统结构

某热轧厂为35 k V单母线分段接线,两段母线分别为粗轧机、立辊轧机和精轧机、卷取机的35/3.16 k V整流变压器供电,2路35 k V电源引自上级35 k V总降变电所,系统结构和参数见图1。

3.2 初始谐波发生量

项目设计前期,根据变频装置3.16 k V侧谐波电压发生量进行计算(见表1),认为变频装置的功率因数和各次谐波含量均符合国家标准,无需装设滤波装置。以35 k V一段母线为例,计算过程如下。

3.3 谐波电流计算

变压器阻抗:

式中:ZT为变压器阻抗;UK%为变压器短路阻抗。

3.16 k V侧谐波电流:

式中:Uh为3.16 k V侧谐波电压;h为谐波次数;ZT为折算到3.16 k V侧变压器阻抗。

计算出3.16 k V侧各次谐波电流后,根据国标GB/T14549—1993按照如下公式,将2个谐波源的同次谐波电流进行迭加计算:

式中:Ih1为谐波源1的第h次谐波电流;Ih2为谐波源2的第h次谐波电流;Kh为系数,按照表2选取。

将3.16 k V侧各次谐波电流折算到35 k V侧,如表3所示。Ih' = Ihx3.16/35(Ih'为35 k V侧谐波电流,Ih为3.16 k V侧谐波电流)。

3.4 谐波电压计算

35 k V侧第h次谐波电压为

式中:ZS为35 k V系统阻抗。

35 k V侧第h次谐波电压含有率:

电压总谐波畸变率:

35 k V侧各次谐波电压和限值见表4。

根据表4计算结果认为中压变频装置产生的各次谐波电流、谐波电压指标均满足国标要求。

3.5 仿真计算

在项目安装调试阶段,专业机构对电能质量进行现场测试后,发现35 k V系统多次谐波电压和总电压畸变率超标,与前期计算结果有较大差异。

为找出本项目35 k V系统中多项高次谐波超标的原因,利用Matlab软件进行建模仿真计算,在前次计算的基础上增加考虑了35 k V进线电缆和上级总降变电所的电容补偿装置。35 k V 3次、5次电容器按实际配置参数进行设置,长度为1.6 km的35 k V电缆的充电电容按照0.8μF(1.6 km,0.5μF/km)设置。

Matlab计算模型见图2。

通过建模仿真计算,在相同的谐波源发生情况下,考虑进线电缆和上级变电所电容补偿装置后,总降变电所35 k V 1段的多项谐波电压和总谐波电压含有率超出国标限值。谐波电压仿真计算结果如表5所示。

从表5可以看出,总降变电所35 k V 1段母线55次、59次、61次谐波电压含有率及电压谐波总畸变率均超出国标要求,与现场电能质量谐波测试数据基本吻合。

为进一步分析高次谐波电压超标的原因,我们对1~100次频率下的35 k V系统阻抗进行了计算,阻抗特性(1)见图3。

分析系统阻抗—频率曲线可以发现,总降35 k V系统在57.16次出现并联谐振点,系统阻抗激增至49 584Ω,并联谐振点附近次数的谐波电流在35 k V母线上产生了较大的谐波电压,最终造成35 k V系统的55,59,61次谐波电压和电压总谐波畸变率超标。

4 解决办法和措施

找出35 k V系统高次谐波电压超标问题的原因后,尝试采用常规的谐波治理手段,消除系统在50次左右的并联谐振点,以改善电网电能质量,保证系统及设备的安全稳定运行。考虑到35 k V系统已有针对低次谐波的电容补偿兼滤波装置,在热轧厂35 k V母线上各增设一组容量为3.6 Mvar的17次兼高通滤波器,并重新进行了仿真计算,阻抗特性(2)见图4。

通过阻抗—频率曲线可以看出,增加17次高通滤波器后,消除了系统在50次左右的并联谐振,35 k V系统最大阻抗出现在69.52次,阻抗值减小到178Ω,大大改善了系统的阻抗特性。增设高通滤波装置后,35 k V母线的各次谐波电流、谐波电压及电压谐波总畸变率均满足国标要求。

5 结论

在电缆较长的供电系统,电缆充电电容与系统阻抗可能会发生并联谐振,中压变频装置产生高次谐波会被放大,影响电网电能质量。

高次谐波的治理 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.