电网系统高次谐波的来源和抑制

电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波,因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类:隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机,凸极机多用于水轮发电机。

对于谐波分量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技进步,可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入,使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时,由于电机的磁饱和,会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时,也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下,所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小,比国家的考核标准低的多,因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。
为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备,也就是说非线性用电设备是主要的谐波源,非线性用电设备主要有以下四大类:
电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。
交流整流的直流用电设备:如电力机车、电解、电镀等。
交流整流再逆变用电设备:如变频调速、变频空调等。
开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
这些用电设备都是非线性用电设备,但它们产生的谐波各不相同,具体举例分析如下:
1、电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。
此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波,造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用,由于电弧加热设备量少,电焊机应用的同时率就更小了,对整个电网的影响比较小,但发现当在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很大,有较大的谐波影响。
2、交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较低。
3、交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。
虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。
4、开关电源设备应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。此外,开关电源的频率比较高一般在40kHz左右,不仅在整流时产生谐波,而且在开关管开闭时,反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大,但它是应用面广、量大的非线性用电设备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

高次谐波的产生原因?

随着电力电子技术的飞速发展,各种新型用电设备越来越多地问世和使用,高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后,轻则影响系统的运行效率;重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。
谐波产生的主要由以下两大因素造成:
1. 可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用,晶闸管在大量家用电器中的普通采用,以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。
2. 设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或余量较大的设计。现在为了竞争,对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如,有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段,而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。

高次谐波的抑制?

高次谐波的抑制,主要是减少或消除注入电网的谐波电流,控制谐波电压和电流在允许范围内,抑制谐波电流的主要措施为:改善供电环境、降低谐波源的谐波含量,吸收谐波电流。其中吸收谐波电流是目前使用广泛,且是有效的抑制谐波的方法。常见的方法如下:
1、无源滤波器
无源滤波器属于被动的吸收式滤波,在谐波比较简单的系统中,结合功率因数补偿,选用高性能的滤波电容器,串联高线性的滤波电抗器,组合成滤波补偿器,在吸收系统中主要的谐波分量时,补偿无功功率。
2、有源滤波器
有源滤波器属于动态消除滤波,一般用于重要负荷场所,根据用电设备对谐波的敏感程度,为达到较好的滤波效果,配置动态有源滤波器。有源滤波器是采用开关元件,通过数字信号处理和脉宽调制技术,根据检测到的谐波分量,产生一个幅值相等、相位相反的电流,在谐波源出注入系统,使电源的总谐波为零,达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比,该技术对清除谐波效果大,可滤除97%以上的谐波电流,其滤波特性不受系统阻抗影响,可清除与系统阻抗发生谐振的危险,不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功。
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