【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中 3 次諧波電流可達(dá)額定電流的 %。 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的 [1]。這些非線性負(fù)載主要是整流器、交流調(diào)壓電路以及頻率變換器等電力電子裝置，由于這些電力電子裝置都為可變結(jié)構(gòu)非線性電力負(fù)荷，工作于非線性狀態(tài)，在高效利用電能的同時(shí)也向電網(wǎng)注入大量的非線性電流，給公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來(lái)了隱患。另外，工業(yè)用的電弧爐、電石爐也是個(gè)比較大的諧波源，由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很 難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。其中主要是 2 次 諧波和 7 次諧波。 除此以外 ,其它 像 電視機(jī)、電池充電器等裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波。雖然單個(gè)裝置的功耗不大 ,但由于數(shù)量很多 ,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。 電力系統(tǒng) 諧波 危害 諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)時(shí)一種污染。在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究，并有一定認(rèn)識(shí)，但那時(shí)諧波污染還不嚴(yán)重，沒(méi)有引 起足夠的重視。近幾十年來(lái)，各種電力電子設(shè)備的迅速普及 和廣泛應(yīng)用 使諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，如：廣西蘋(píng)果鋁廠 1996 年 6 月因諧波超標(biāo)，導(dǎo)致電容器爆炸，損壞高壓開(kāi)關(guān)和主變壓器，造成大面積停電；湖南漣鋼 1998 年 7 月，因 5 次諧波超標(biāo)，導(dǎo)致豹南山 110KV變電站停電 16 小時(shí)；由于電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護(hù)誤動(dòng)，致使京廣線中斷數(shù)小時(shí)。 因 此，諧波的危害的嚴(yán)重性才引起人們的高度重視。大體上說(shuō) ， 諧波危害 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [18][914]： （ 1）電力電容器引起的諧波放大。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波 電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損壞。 （ 2）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。諧波電壓或電流會(huì)在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （ 3）增加輸電線的損耗，縮短輸 電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。碩士學(xué)位論文 3 在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約 60％。 （ 4）增加變壓器的損耗。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。另外， 3 的倍數(shù)次零序電流會(huì)在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會(huì)使繞組電流超過(guò)額定值。對(duì)于帶不對(duì)稱負(fù)載的 變壓器來(lái)說(shuō)，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和，從而會(huì)大大增加交流激磁電流的諧波分量。 （ 5）造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，這與繼電器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原理有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠采樣數(shù)據(jù)或過(guò)零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。諧波對(duì)過(guò)電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會(huì)起拒動(dòng)和誤動(dòng)的影響，保護(hù)裝置失靈和動(dòng)作不穩(wěn)定。零序三次諧波電流過(guò)大，可能引起接地保護(hù)誤動(dòng)作。 （ 6）引起電力測(cè)量的誤差。測(cè)量?jī)x表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，如果供電的波形發(fā)生畸變，儀表則容易產(chǎn)生 誤差。比如，感應(yīng)式電能表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為 1000Hz時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 7）干擾通訊系統(tǒng)。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到 1 MHz ，因而會(huì)引起電磁干擾，對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號(hào)以及與架空線平行的通訊線路，諧波 的影響都很大。 （ 8）延緩電弧熄滅。在超高壓長(zhǎng)距離輸電線路上，較大的諧波電流會(huì)使?jié)摴╇娀∠缪泳彛瑢?dǎo)致單相重合閘失敗，擴(kuò)大事故。在消弧線圈接地系統(tǒng)中較大的諧波分量同樣會(huì)延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用。諧波分量還會(huì)使電流過(guò)零時(shí)的dtdi/ 值過(guò)大，導(dǎo)致斷路器斷弧困難，影響斷流能力。 （ 9）對(duì)其它設(shè)備的影響。諧波還會(huì)對(duì)下列設(shè)備產(chǎn)生影響： ①導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件控制裝置誤動(dòng)作； ②導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件故障而損壞； ③使日光燈的鎮(zhèn)流器及補(bǔ)償用電容器過(guò)熱和損壞； ④對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾； ⑤影響互 感器的測(cè)量精度； ⑥使熔斷器在沒(méi)有超過(guò)整定值時(shí)就熔斷； ⑦影響功率處理器的正常運(yùn)行； ⑧影響電視機(jī)的畫(huà)面質(zhì)量； 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 4 ⑨影響電子顯微鏡的清晰度； ⑩影響其它換流設(shè)備或其它任何由電壓過(guò)零所控制的設(shè)備的同步。 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)諧波是由于波形畸變產(chǎn)生的，從交流電出現(xiàn)、應(yīng)用發(fā)展到現(xiàn)在，如何將波形畸變限制在一定的范圍內(nèi)一直是電力工程師關(guān)心的問(wèn)題。在 20 世紀(jì) 20年代和 30 年代的德國(guó)，研究者由靜止變流器引起的波形畸變提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。當(dāng)時(shí)最有影響的是 Rissik 《 The Mercury Arc Current Converter》[15]，另一篇有關(guān)靜止變流器產(chǎn)生諧波的經(jīng)典論文是 Read J. 1945 年發(fā)表的《 The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》 [ 16]，至今仍被研究者廣泛引用。 50 年代和 60 年代在高壓直流輸電方面推進(jìn)了變流器諧波的研究。在這一時(shí)期發(fā)表了大量的論文。 Kimbark E. 《 Direct Current Transmission》 [ 17]中對(duì)此 進(jìn)行了總結(jié)，該書(shū)包括了電力系統(tǒng)諧波方面 60 篇以上的參考文獻(xiàn)。 70 年代以后，國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，其中從 1984年開(kāi)始，每?jī)赡暾匍_(kāi)一次的電力系統(tǒng)諧波國(guó)際會(huì)議（ ICHPS）極大地推動(dòng)了諧波領(lǐng)域的研究和交流，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)淮和規(guī)定，同時(shí)對(duì)諧波治理問(wèn)題的研究也蓬勃發(fā)展起來(lái)。 我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究起步較晚。吳競(jìng)昌等 在 1988 年出版的《電力系統(tǒng)諧波》 [1]一書(shū)是我國(guó)有關(guān)諧波問(wèn)題早期較有影響的著作。隨后，許克明等也于 1991 年出版了《電力系統(tǒng)高次 諧波》 [18]，張一中等 1992 年出版了《電力諧波》[2]，夏道止等 1994 年出版了《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波》 [ 3]，林海雪等 1998 年出版了《電力網(wǎng)中的諧波》 [ 4]，這些著作都對(duì)人們認(rèn)識(shí)和研究諧波作出了很大的貢獻(xiàn)。此外，唐統(tǒng)一等和容健綱等分別于 1991 年和 1994 年獨(dú)立翻譯了 Arrilaga 《電力系統(tǒng)諧波》 [5][6]，也在國(guó)內(nèi)有較大的影響。 1998 年，王兆安等出版的《諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償》 [12]是國(guó)內(nèi)迄今為止較為全面的介紹諧波分析和治理方法的著作，特別是其中關(guān)于有源濾波器的分析和 闡述，被國(guó)內(nèi)許多研究者廣泛引用和參考。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)期刊和有關(guān)會(huì)議上發(fā)表的諧波相關(guān)問(wèn)題的研究論文也非常多，諧波問(wèn)題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。因此可以說(shuō)，我國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題的研究起步于 80 年代，在整個(gè) 90 年代有了長(zhǎng)足的發(fā)展，與國(guó)外研究水平的差距正在不斷減小。 另外，諧波標(biāo)準(zhǔn)做為電力系統(tǒng)諧波的一個(gè)分支也在蓬勃的發(fā)展之中。美國(guó)海軍早在 20 世紀(jì) 70 年代就發(fā)現(xiàn)諧波影響并第一個(gè)制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn) US MILSTD461，目前仍然被美國(guó)軍方廣泛使用。 1982 年國(guó)際電工委員會(huì) IEC（ International Electrotechnical Commission 簡(jiǎn)寫(xiě)為 IEC）第一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即 IEC55，并在其后的執(zhí)行過(guò)程中修訂完善，目前已碩士學(xué)位論文 5 經(jīng)被世界許多國(guó)家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為強(qiáng)行執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。1993 年美國(guó)電氣與工程協(xié)會(huì)（ IEEE）進(jìn)一步完善了 IEC55 標(biāo)準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充了對(duì)高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，這就是 IEEE/ANSI Standard 519 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)原水利電力部于 1984 年根據(jù)原國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批轉(zhuǎn)的《全國(guó)供電用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了 SD12684《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》[19]。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年又發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1454993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 [20]，從 1994 年 3 月 1 日開(kāi)始實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 50Hz、110KV 及以下的公用電網(wǎng)各次諧波電壓極其供電的電力用戶注入的諧波電流作了明確的規(guī)定。對(duì) 220KV 以上的電網(wǎng)及其供電用戶，以 110KV 電網(wǎng)的規(guī)定作為參考標(biāo)準(zhǔn)，或者以保證 220KV 下一級(jí)電網(wǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法 [21,22]。 1998 年，為了 進(jìn)一步限制電網(wǎng)諧波，我國(guó)頒發(fā)了 《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制（設(shè)備每相電流小于 16A）》，即 IEC 610032 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低壓電氣以及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流進(jìn)行了限制。 電力系統(tǒng)諧波治理方法 諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動(dòng)治理，即外加濾波器， 吸收諧波源產(chǎn)生的注入電網(wǎng) 的 諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。 受端 治理的措施主要有以下幾種： （ 1）選擇合理的供電方式。將諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對(duì)系統(tǒng)和其它用電設(shè)備的影響，這必須在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段考慮。 （ 2）避免電容器對(duì)諧波的放大。改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，可以有效地減小電容器對(duì)諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。 （ 3）提高設(shè)備抗諧波干擾能力。改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能夠正常工作，當(dāng)然這是有一定限度的，諧波較大時(shí)設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影響。 （ 4）改善諧波保護(hù)性能。對(duì)諧 波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置，這能夠保證在諧波超標(biāo)情況下，設(shè)備不致于損壞，但不能保障設(shè)備的正常工作。 主動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種： （ 1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)[23][ 24]，但是裝置更加復(fù)雜。 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 6 （ 2）改變諧波源的配置或工作方式。具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。 （ 3）采用多重化技術(shù)。將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊 加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。 （ 4）諧波疊加注入。利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上 [32][ 33]，可用于降低給定的運(yùn)行點(diǎn)處的某些諧波。缺點(diǎn)是必須保 證 三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步，且諧波發(fā)生器的功率消耗常常高達(dá)整流器直流功率的 10％。 （ 5）采用 PWM 技術(shù)。采用脈寬調(diào)制 PWM（ Pulse Width Modulation）技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。 （ 6） 設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為 1。 被動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種： （ 1）采用無(wú)源濾波器 PF（ Passive Filter）。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。 （ 2）采用有源濾波器 APF（ Active Power Filter）。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 APF，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ) 償，但裝置造價(jià)較高。 （ 3）采用混合型有源濾波器 HAPF（ Hybrid Active Power Filter）。 HAPF 兼具 PF 成本低廉和 APF 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于 APF 的分支和發(fā)展。 HAPF 的種類很多，大致可分為與 PF 的混合、與其它變流器的混合等兩類。 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源電力濾波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的 [ 25]。 他們首次提出了有源濾波器的原始結(jié)構(gòu)模型，并建立了有源濾波器的基本理論。 有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、 相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。 但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生小補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室研究，