DQZHAN技術訊：諧波治理與無源電力濾波器
近年來,隨著工業的快速發展,電網中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設備不斷增加,其接入電網后會向供電系統注入大量諧波,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成熟、簡單有效、價格較低等優點,已得到日益廣泛的應用,是治理電力諧波的有效措施。近年來發展的有源濾波器的濾波效果可以不受系統運行方式變化的影響,而且能連續消除諧波,是電力濾波器的發展趨勢。
1 電力諧波的產生與危害
當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阻抗上產生壓降,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分解,得到的次數大于1的分量。由系統側觀察非線性負載,其負載特性就如同一個線性負載和一系列諧波的發電機,如圖1所示。非線性負載從電網中吸收的功率,大部分作為諧波功率返送回系統,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)諧波對旋轉電機的影響
電動機吸收諧波電流會引起附加損耗,產生機械振動和噪聲,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熱,并導致局部過熱,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,在電網低谷、電網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、電磁感應和電氣傳導等構成對通信線路的干擾。
(5)諧波對電度計量的影響
對于采用感應系機構的電度表,諧波會引起電度計量的誤差,其結果將導致:產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,電力系統中以負序濾過器為啟動元件的多種保護和自動裝置會產生誤動。
2 有關電力系統諧波的國家標準
以上分析表明,諧波有百害而無一利,對電網和大量電力用戶設備的**運行是一種潛在的威脅,為了有效地控制這種危害的發展和減少其危害的程度,國家制定了GB/T14549-1993《電能質量—公用電網諧波》標準來治理上述“公害”。國標中不僅要求電網各級電壓的諧波水平不超出國標限值外,還要求用戶注入公用電網的諧波電流不得超出國標允許值,否則應采取治理措施。
2.1 諧波電壓國標限值
諧波國標中公用電網諧波電壓限值見表1。
2.2 諧波電流國標限值
諧波國標中公用電網諧波電流限值見表2。
2.3 諧波電流允許值的換算
當考核點的*小短路容量不同于假定基準*小短路容量時,應按照國標附錄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,為了使注入系統的諧波電流盡可能小,應使濾波器的阻抗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,所以經其分流,可以有效減小注入系統的諧波電流,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很低的阻抗,通常顯著低于電網對諧波的等效阻抗,因此大部分諧波電流將被濾波器分流而不再流入電網,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個用戶的用電協議容量,MVA;
St為公共連接點的供電設備容量,MVA;
α為相位疊加系數,按表3取值。
3 無源電力濾波器的工作原理及設計方法
如前所述,大量的諧波電流注入電網,必將導致共用電網的電壓波形發生畸變,使電能質量下降，威脅電網和各種用電設備的**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造與工作原理
通常將產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生的諧波電流來減少流入電網的諧波電流。
無源電力濾波器由濾波電容器和電抗器串聯構成一個串聯諧振濾波支路,諧振于需濾除的主要諧波頻率。對應于諧波頻率,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一個串聯諧振點,即每個濾波支路只能吸收某一次諧波,當諧波源含有多種頻率的諧波時,需要設置多個濾波支路,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。
