DQZHAN技術(shù)訊：諧波治理與無源電力濾波器
近年來,隨著工業(yè)的快速發(fā)展,電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備不斷增加,其接入電網(wǎng)后會向供電系統(tǒng)注入大量諧波,造成附加的能量損耗以及一系列的諧波危害。
無源電力濾波器抑制電力諧波具有技術(shù)成熟、簡單有效、價格較低等優(yōu)點,已得到日益廣泛的應(yīng)用,是治理電力諧波的有效措施。近年來發(fā)展的有源濾波器的濾波效果可以不受系統(tǒng)運行方式變化的影響,而且能連續(xù)消除諧波,是電力濾波器的發(fā)展趨勢。
1 電力諧波的產(chǎn)生與危害
當(dāng)正弦波電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上時,其電壓和電流仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時,電流就變成了非正弦波,非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降,會使電壓波形也變成非正弦波。
所謂“諧波”是指周期性電氣分量按傅里葉級數(shù)分解,得到的次數(shù)大于1的分量。由系統(tǒng)側(cè)觀察非線性負載,其負載特性就如同一個線性負載和一系列諧波的發(fā)電機,如圖1所示。非線性負載從電網(wǎng)中吸收的功率,大部分作為諧波功率返送回系統(tǒng),造成附加的能量損耗及一系列的諧波危害。
圖2為實測畸變電流波形,圖3為畸變電流波形的諧波分析示意圖。該負荷為典型的三相橋式6脈沖整流設(shè)備,其諧波含量以5次、7次、11次、13次為主,從圖3可以看出,諧波次數(shù)越高,諧波幅值越小。
諧波的危害主要包括以下幾個方面:
(1)諧波對旋轉(zhuǎn)電機的影響
電動機吸收諧波電流會引起附加損耗,產(chǎn)生機械振動和噪聲,引起諧波過電壓。
(2)諧波對變壓器的影響
較大的諧波電流穿過變壓器形成的諧波磁場會引起變壓器附件的發(fā)熱,并導(dǎo)致局部過熱,諧波會使變壓器的噪音增大。
(3)諧波對輸電電纜的影響
由于電纜的分布電容對諧波有放大作用,在電網(wǎng)低谷、電網(wǎng)電壓升高時使諧波電壓升高,造成電纜局部放電、介損和溫升增大,易導(dǎo)致電纜故障;
(4)諧波對通信的干擾和影響
諧波通過電容耦合、電磁感應(yīng)和電氣傳導(dǎo)等構(gòu)成對通信線路的干擾。
(5)諧波對電度計量的影響
對于采用感應(yīng)系機構(gòu)的電度表,諧波會引起電度計量的誤差,其結(jié)果將導(dǎo)致:產(chǎn)生大量諧波的用戶少付電費,而線性用戶反而多付電費。
(6)諧波對繼電保護、自動裝置等的影響
在諧波和負序的共同作用下,電力系統(tǒng)中以負序濾過器為啟動元件的多種保護和自動裝置會產(chǎn)生誤動。
2 有關(guān)電力系統(tǒng)諧波的國家標(biāo)準
以上分析表明,諧波有百害而無一利,對電網(wǎng)和大量電力用戶設(shè)備的**運行是一種潛在的威脅,為了有效地控制這種危害的發(fā)展和減少其危害的程度,國家制定了GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準來治理上述“公害”。國標(biāo)中不僅要求電網(wǎng)各級電壓的諧波水平不超出國標(biāo)限值外,還要求用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流不得超出國標(biāo)允許值,否則應(yīng)采取治理措施。
2.1 諧波電壓國標(biāo)限值
諧波國標(biāo)中公用電網(wǎng)諧波電壓限值見表1。
2.2 諧波電流國標(biāo)限值
諧波國標(biāo)中公用電網(wǎng)諧波電流限值見表2。
2.3 諧波電流允許值的換算
當(dāng)考核點的*小短路容量不同于假定基準*小短路容量時,應(yīng)按照國標(biāo)附錄B進行換算,換算公式如下
式中 Sk1為公共連接點的*小短路容量,MVA;
Sk2為基準短路容量,MVA;
Ihp為表2中的第h次諧波電流允許值,A;
Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值,A。
按國標(biāo)附錄C的要求,在公共連接點處第i個用戶的第h次諧波電流允許值還需用下式進行換算
從圖5諧波等效電路可以看出:
從上式可以看出,為了使注入系統(tǒng)的諧波電流盡可能小,應(yīng)使濾波器的阻抗Zf盡可能小,但由于實際電路中濾波器阻抗不可能為零,所以系統(tǒng)相對于諧波的短路阻抗Zs對濾波效果起了重要的作用。系統(tǒng)短路阻抗越高,即短路容量越小,濾波器的分流作用越大,而注入系統(tǒng)的諧波電流越小。在理想的情況下,如果濾波器的諧振角頻率ω正好等于某一次諧波角頻率,則對于該次諧波而言,濾波器的阻抗為其*小值R。由于濾波器支路對于該次諧波電流阻抗很小,所以經(jīng)其分流,可以有效減小注入系統(tǒng)的諧波電流,從而達到抑制諧波的目的。
從圖6阻抗頻率特性曲線可以看出,在諧波頻率下,濾波支路對諧波電流呈現(xiàn)很低的阻抗,通常顯著低于電網(wǎng)對諧波的等效阻抗,因此大部分諧波電流將被濾波器分流而不再流入電網(wǎng),從而得到良好的濾波效果。
對于工頻基波電壓而言,無源濾波器等效為一個電容器,可補償負載所需的無功功率。
式中 Ih為**次換算的第h次諧波電流允許值,A;
Si為第i個用戶的用電協(xié)議容量,MVA;
St為公共連接點的供電設(shè)備容量,MVA;
α為相位疊加系數(shù),按表3取值。
3 無源電力濾波器的工作原理及設(shè)計方法
如前所述,大量的諧波電流注入電網(wǎng),必將導(dǎo)致共用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變,使電能質(zhì)量下降，威脅電網(wǎng)和各種用電設(shè)備的**運行。無源電力濾波器不僅可以有效吸收諧波，而且在基波下可以補償無功功率，因此工程上又稱之為諧波治理兼無功補償裝置(FC)，是目前*主要的諧波治理裝置。
3.1 無源電力濾波器的基本構(gòu)造與工作原理
通常將產(chǎn)生諧波的負載看作是諧波電流源,無源濾波器的作用是為諧波電流提供一個低阻抗的通路或諧振回路,通過分流非線性負載產(chǎn)生的諧波電流來減少流入電網(wǎng)的諧波電流。
無源電力濾波器由濾波電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成一個串聯(lián)諧振濾波支路,諧振于需濾除的主要諧波頻率。對應(yīng)于諧波頻率,電容器與電抗器的阻抗相匹配,濾波器呈純阻性,對諧波電流構(gòu)成分流支路。頻率低于諧振頻率時,濾波器呈容性;頻率高于諧振頻率時,濾波器呈感性。
圖4和圖5分別為無源電力濾波器的主回路原理圖及其諧波等效電路。
無源電力濾波器的每個濾波支路只能對應(yīng)一個串聯(lián)諧振點,即每個濾波支路只能吸收某一次諧波,當(dāng)諧波源含有多種頻率的諧波時,需要設(shè)置多個濾波支路,分別諧振于不同頻率。圖7中采用的四個諧振支路分別調(diào)諧于3次、5次、7次、11次頻率時得到的母線阻抗頻率特性曲線。
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