通过谐波治理提高电能质量的措施探讨

2022-09-11

谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整数倍。电网谐波产生的原因是非线性负载造成的。如变频器、整流器、逆变器等电力变流设备, 电弧炉、电弧焊机等非线性负荷, 电力变压器、铁心电抗器等含有磁饱和特性的设备, PC机、打印机等日用家电, 调速驱动电机、充电器以及电镀设备等。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害, 世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准, 或由权威机构制定限值谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流, 把电网谐波电压控制在允许范围内, 使接在电网中的电气设备免受谐波干扰而能正常工作。

对谐波的治理应该从两方面来考虑, 一是产生谐波的非线性负荷;二是受危害的电力设备和装置。这两个方面应该相互配合, 统一协调, 作为一个整体来研究, 采用技术、经济最合理, 符合社会发展和历史条件的方案来治理和消除谐波。

1 减少谐波源的谐波含量

对于整流、换流设备, 增加晶闸管变换装置脉冲数是降低谐波最基本的一种方法。在正常对称情况下, 换流装置产生的谐波电流次数为:

n=mp±1 (式1)

式中:m表示从l开始的任意正整数;

P表示换流装置的脉冲数。各次谐波电流的有效值为:

I n=K nI1 (式2)

式中:Kn表示谐波系数

I1表示基波电流有效值

整流、换流装置的脉冲数愈多, 谐波电流的次数愈高, 即不产生较低次谐波 (如P=12时, 只产生11次和13次以上谐波电流) 。同时, 由于谐波电流与谐波次数成反比, 故谐波次数愈高, 谐波电流值愈小。可见, 增加换流装置脉冲数, 可消除较低次谐波, 减少产生的谐波电流。

增加换流装置脉冲数的有效方法是利用2台绕组接法不同 (Y, y和Y, d) 的变压器二次侧电压相差为30°的原理, 将2台三相6脉冲全波换流器分别接入上述2台不同接线方式的变压器。这样, 就将两组6脉冲换流器变成了12脉冲换流器。由于12脉冲换流器不产生5次和7次谐波。因此, 也就不需再投资安装5次和7次滤波器。当然, 如果采用24脉冲换流器, 产生的谐波电流就会更少。目前, 国际上有些国家正在研制产生少量谐波电流的换流器。基本原理就是在不过多增加换流变压器技术复杂程度的前提下, 把三相6脉冲全波换流器, 变成36脉冲换流器。

适当改变供电系统的运行方式可达到抑制谐波影响的目的。尽可能地保持三相负荷电流的平衡, 可以减少mp±1次以外的非理论高次谐波电流。运行中需尽量减少变压器空载, 避免运行电压过高, 改善电网电压质量。在系统参数不当、可能造成谐波共振时 (实测) , 采用倒换系统错开共振点或改变无功补偿容量的办法来消除谐波共振。在存在较大容量的谐波源负荷的情况下, 可采用提高供电电压等级或采用专线供电的方法。例如, 专用1台主变压器对该条线路进行供电等。

2 安装滤波器

应用滤波技术治理谐波针对谐波污染造成的电能质量问题, 主要的解决措施有两个方向:一是对电力电子装置本身进行改造, 使其不产生谐波。例如, 目前已出现的罗宾康公司生产的高压大容量完美无谐波变频器, 但大多数产品还做不到;另一种方法就是安装谐波补偿设备。

滤波器由电容器、电抗器和电阻器构成, 可根据用户实际情况提供调谐到不同频率的单调谐、二阶高通、C型高通或双调谐滤波器。滤波器在滤除谐波的同时, 在基波频率时提供容性无功功率补偿, 可满足用户基波无功功率补偿要求。滤波器的设计与系统主接线及设备参数、电网运行参数 (电压、频率变化等) 、系统的谐波阻抗特性、工厂的性质、实测谐波、无功功率补偿要求等密切相关。参数的选择既要考虑现有系统情况, 也要兼顾未来的发展。因此, 滤波器设计应在详细了解变电站情况的基础上进行。

在低压应用中, 对于无功功率变化较大的使用场合, 可有选择地将滤波器进行多个分组, 根据功率因数对滤波器自动进行投切, 以满足变化的谐波和无功功率补偿需求。在高压应用中, 对于无功率变化较大的使用场合 (如电弧炉、轧机等) , 可将滤波器组与晶闸管可控电抗器 (TCR) 、晶闸管投切电容器组 (TSC) 并联使用, 构成SVC, 以快速、平滑地调节无功功率, 实现动态补偿, 防止在轻载时无功功率补偿过多, 倒送电网情况的发生。

3 相数倍增法

电力系统中接入的非线性器件, 有许多往往正是利用非线性来达到技术上的某种目的。因此, 不能用降低甚至消除非线性来消除谐波。高次谐波都是一些正弦交流量, 其大小和方向与相位有关, 因此可设法让次数相同、相位相反的谐波相互抵消。

经分析推理证明, 对于2组三相系统, 如果它们的相位相差30°时, 可以消除5、7、l7、l9、29、31次谐波;相位相差15°的4组三相系统, 可以消除11、13、35、37次等谐波。因此, 用2个整流桥组成的换流器分别接在有相位相差3 0°的三相电路上, 组成12脉冲换流器, 可以消除5、7、17、19、29、31次谐波。这样总的谐波量可由6脉冲换流器时的0.246I降到0.117I。如果组成24脉冲换流器, 则谐波成分可降为0.053I。以上方法就是相数倍增法。相数倍增法也可用普通换流变压器配合适当的移相变压器组成12相、18相、24相、36相等换流装置。这时移相变压器使各组换流装置获得30°、20°、15°和10°等的相位移。这种方式虽然克服了换流变压器复杂的困难, 但增加了移相变压器的费用, 这在经济性方面是否合理应进行具体的分析比较。可见, 相数倍增法只有在各组整流器的负载完全一致时才能有效消除谐波。

4 结语

随着科学技术和社会的进步, 城市电网的电能质量水平对人们的生产、生活及经济和社会的影响越来越大。一方面, 大量产生电能污染的用电负荷不断接入电网, 影响着电网的安全经济、优质运行;另一方面, 越来越多的电力用户对供电质量提出的要求更加严格。这些都要求地区电网必须提高认识, 加大力度, 采取科学的方法和措施, 加大对谐波指标的提高上。

摘要：分析了电力系统谐波所引发的电能质量下降所带来的危害, 重点分析了通过谐波治理提高电能质量的具体措施。提出了减少谐波源的谐波含量, 安装滤波器和相数倍增法三种谐波治理方法, 介绍了其治理谐波的原理和效果。

关键词：谐波,电能质量,滤波器,相数倍增