電網(wǎng)中主要諧波源及其治理措施

夏國(guó)慶　路亞潔

【摘 要】大功率傳動(dòng)裝置所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害很大，是電網(wǎng)諧波的一個(gè)主要來(lái)源。尤其是大功率的變頻調(diào)速系統(tǒng)，諧波問(wèn)題越來(lái)越突出，電能質(zhì)量下降，給各種用電設(shè)備和儀表帶來(lái)了很大的危害，必須抑制這些諧波，所以諧波的檢測(cè)顯得越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，通過(guò)學(xué)者的不懈努力，也取得了豐碩的成果。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)；諧波；治理

一、交流傳動(dòng)所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題

大功率傳動(dòng)裝置所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害很大，尤其是大功率的變頻調(diào)速系統(tǒng)，諧波問(wèn)題越來(lái)越突出，電能質(zhì)量下降，給各種用電設(shè)備和儀表帶來(lái)了很大的危害。我們希望交流傳動(dòng)變換器輸出只含基波的正弦波，但實(shí)際應(yīng)用的逆變器總含有諧波，這些畸變的電流和電壓可能造成很多危害，如會(huì)讓工業(yè)生產(chǎn)被干擾中斷，受此影響，裝配線可能經(jīng)常停工，產(chǎn)生大量廢品，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然控制裝置的調(diào)制控制方法能夠在產(chǎn)生所需的基波的同時(shí)，應(yīng)盡可能的優(yōu)化其他的高次諧波。但是諧波不可避免的產(chǎn)生，這就要求對(duì)這些諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析后，確定治理方案。達(dá)到最大程度的消除特定諧波或最小化總諧波（TDH）畸變率，進(jìn)而使由諧波產(chǎn)生的電力電子設(shè)備的功率損耗達(dá)到最小。

另外變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對(duì)接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變電路多采用PWM 技術(shù) 要用到IGBT 大功率管。當(dāng)控制電路根據(jù)需要給出相應(yīng)的頻率和幅值的開(kāi)關(guān)脈沖， IGBT 大功率管工作時(shí)，其輸出的電壓和電流波形中帶有與開(kāi)關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。我們知道高載波頻率和場(chǎng)控開(kāi)關(guān)器件高速切換的dv/d t 可達(dá)1kv/Ls 以上 所以引起的輻射干擾問(wèn)題是相當(dāng)突出。當(dāng)然，變頻調(diào)速電路除了通過(guò)輻射向外部發(fā)射產(chǎn)生干擾外，也可以通過(guò)阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入電源電路形成傳導(dǎo)形干擾。

經(jīng)查證資料，交流傳動(dòng)所產(chǎn)生的諧波基本上是5次，7次，9次和13次諧波，其他次數(shù)的諧波比較少。

二、諧波的一些治理措施

采取一些措施來(lái)消除這些對(duì)各種電子設(shè)備和電網(wǎng)造成很大危害的諧波，下面簡(jiǎn)單介紹一下消除諧波的方法和措施。

（1） 濾波

所謂的濾波就是，一個(gè)電信號(hào)中有若干種成分，把其中一部分交流信號(hào)過(guò)濾掉就叫濾波。一般將電力電網(wǎng)或電力設(shè)備中某些不需要的交流信號(hào)去掉，通常采用濾波的手段?？梢院芎玫南C波，尤其是高次諧波。濾波又可以分為有源濾波和無(wú)源濾波。就目前來(lái)說(shuō)，無(wú)源濾波應(yīng)用較多，效果較好，價(jià)格較低。包括三種形式：

a：串聯(lián)濾波。對(duì)3次諧波的抑制效果明顯。

b：并聯(lián)濾波。可以濾出多次諧波，并給系統(tǒng)提供無(wú)功補(bǔ)償，是應(yīng)用最廣泛的消除諧波，凈化電源的裝置。

c：低通濾波（串并混合）。對(duì)高次諧波治理效果更佳。

而我們最常用的就是并聯(lián)電容器補(bǔ)償，如下圖所示：

并聯(lián)電容器補(bǔ)償

主要有以下三種補(bǔ)償方式：

a集中補(bǔ)償方式。將高壓電容器集中安裝在總降壓變電所或功率因數(shù)較低、負(fù)荷較大的配電所高壓母線上。

b分散補(bǔ)償。對(duì)用電負(fù)荷分散和功率因數(shù)較低的車(chē)間變電所，采用低壓并聯(lián)電容器安裝在低壓配電室。如下圖所示，在低壓母線側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償。

在低壓母線側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償

c就地補(bǔ)償。對(duì)距供電點(diǎn)較遠(yuǎn)的大、中容量連續(xù)工作制的電動(dòng)機(jī)（如風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、球磨機(jī)等），應(yīng)采用電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率就地補(bǔ)償裝置。如下圖所示。它不僅可以提高功率因數(shù)，而且可以減少線路損失，減小總電流，對(duì)提高變壓器負(fù)載率有明顯效果。

電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率就地補(bǔ)償裝置

為了減少和避免高次諧波對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償裝置的危害，采用對(duì)高次諧波的抑制措施為減少諧波電流流入電容器和合閘涌流，可串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。其感抗值?yīng)在可能產(chǎn)生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗，從而消除諧振的可能。為了防止可能出現(xiàn)鐵磁諧振，一般應(yīng)采用無(wú)鐵芯電抗器。

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波補(bǔ)償技術(shù)日益成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。較傳統(tǒng)的無(wú)源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，它具有功能多，適應(yīng)性好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，隨著價(jià)格的不斷下降，應(yīng)用將日益普遍。

有源濾波器是一套使用模擬和數(shù)字邏輯電路進(jìn)行電流檢測(cè)和電流注入，以消除諧波和提供無(wú)功電源的電力電子系統(tǒng)。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選型，有源濾波器能大量減少諧波，并將功率因數(shù)提高到接近1的水平。有源濾波器直接并聯(lián)至線路中產(chǎn)生諧波的負(fù)荷。對(duì)于3相3線電力系統(tǒng)，電流傳感器安裝于其中的兩相上，為邏輯控制電路提供負(fù)荷的電流波形。有源濾波器邏輯電路會(huì)去除波形中的基頻（50和60赫茲）成分。邏輯電路將剩余的波形反向并調(diào)整IGBT的觸發(fā)來(lái)復(fù)制這一反向波形。這樣的處理得到的結(jié)果用于去除上游電力系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電壓是諧波電流流過(guò)電源阻抗而產(chǎn)生的，因此它們也顯著地減少。有源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)在很多重要場(chǎng)所應(yīng)用效果非常好，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中。

（2） 接地

正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線（中線）、地線（保護(hù)接地、系統(tǒng)接地）不分、控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號(hào)屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地）的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。變頻器的接地與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。

（3） 屏蔽

屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏；輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短（一般為20m以?xún)?nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路線（ac380v）及控制線（ac220v）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周?chē)娮用舾性O(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

（4） 采用多相脈沖整流

在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDV大約為10% ～15%， 18相脈沖整流的THDV約為3% ～8%，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要專(zhuān)用變壓器，不利于設(shè)備的改造，價(jià)格較高。

（5） 采用電抗器

在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。

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