電力系統(tǒng)諧波治理的基本方法分析

祝國(guó)炳

摘要：最近幾十年以來(lái)，隨著電網(wǎng)輸電量的不斷增大，大量的非線(xiàn)性用電設(shè)備在電網(wǎng)中使用，在這樣一個(gè)過(guò)程中，整個(gè)電網(wǎng)輸電系統(tǒng)之中的諧波越來(lái)越多。讓整個(gè)輸電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之中的能量損耗非常多，影響著電網(wǎng)保護(hù)裝置和電動(dòng)化控制設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在這樣一個(gè)輸電過(guò)程中，這些設(shè)備不斷錯(cuò)誤的觸發(fā)，威脅著電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電力輸電系統(tǒng)中諧波的治理關(guān)系著電網(wǎng)供電和效率和安全，本文對(duì)諧波在電網(wǎng)系統(tǒng)中的治理方法進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)，諧波治理，非線(xiàn)性用電，電網(wǎng)

引言：輸電網(wǎng)系統(tǒng)效率的高低和供電安全對(duì)民眾生活及工業(yè)建設(shè)都有著至關(guān)重要的影響，經(jīng)濟(jì)要穩(wěn)定發(fā)展，就需要保障輸電的效率和質(zhì)量，讓工業(yè)化和民眾生活都能享受到優(yōu)質(zhì)的電能。而電網(wǎng)之中的諧波比重越來(lái)越大，讓電能損耗很大，為了維持供電的穩(wěn)定，需要用各種方法對(duì)這些諧波進(jìn)行治理。文章主要就是分析基本的諧波治理方法和原理，為行業(yè)盡自己一份綿薄之力。

一、輸電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因

在供電系統(tǒng)之中產(chǎn)生諧波的原因主要是電力設(shè)備的大量使用，這些設(shè)備包括用電設(shè)備和發(fā)電設(shè)備兩大種類(lèi)。理論上來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生正弦波形的磁場(chǎng)，但在實(shí)際的工業(yè)過(guò)程中這樣的磁場(chǎng)不完全是正弦波形，導(dǎo)致最終向外面?zhèn)鬟f的電壓波形也不是理論上的所謂正弦波。

有兩種類(lèi)型的發(fā)電機(jī)被廣泛在工業(yè)上運(yùn)用，即所謂的隱極機(jī)和凸極機(jī)。在工業(yè)過(guò)程中用在汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)這兩種機(jī)器和設(shè)備上。

對(duì)于諧波的產(chǎn)生，隱極機(jī)相比較凸極機(jī)有一定的優(yōu)勢(shì)。但在科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步下，各種電子勵(lì)磁設(shè)備和裝置的大量使用，讓發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大量的諧波。一旦發(fā)電機(jī)的端電壓高過(guò)額定電壓的百分之十或者以上的時(shí)候，在發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)飽和的作用下，電壓的三次諧波數(shù)量會(huì)大量增加。同時(shí)，變壓器的電源電壓如果超過(guò)額定電壓百分之十的時(shí)候，二次側(cè)電壓產(chǎn)生的三次諧波也會(huì)大量增加。電網(wǎng)電壓的偏移差距不大，發(fā)電和變電機(jī)器在各種作用下產(chǎn)生的諧波數(shù)量很小，相比較國(guó)家的考核指標(biāo)相差很多。所以發(fā)電變電設(shè)備和機(jī)器并不是形成輸電網(wǎng)波形質(zhì)量高低的主要原因。

這些都是非線(xiàn)性用電設(shè)備的代表機(jī)器和設(shè)施，研究分析清楚這些諧波是如何產(chǎn)生，如何變化而來(lái)的理論原因，才能從理論上設(shè)計(jì)治理諧波的方式。

二、治理諧波的基本方法分析

治理諧波的基本方法主要有兩種，分為變電集中處理和非線(xiàn)性用電設(shè)備分散處理兩種方法。具體又可以分為三種方式。根據(jù)實(shí)際的治理原則進(jìn)行選擇使用。

1.縮減電源和非線(xiàn)性用電設(shè)備之間的所謂電氣距離，本質(zhì)上就是降低整個(gè)系統(tǒng)之中的阻抗，達(dá)到提高供電電壓的等級(jí)。鋼廠就經(jīng)常使用這種方式，新建的變電所距離鋼廠距離縮短為4千米，用35KV的專(zhuān)線(xiàn)進(jìn)行輸電和供電，這就讓35KV的諧波數(shù)量和比例能夠控制在國(guó)家所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。除此之外。還大量使用大容量的發(fā)電機(jī)，因此這些非線(xiàn)性負(fù)荷的所謂電氣距離就大大縮短。這樣產(chǎn)生的諧波對(duì)于輸電網(wǎng)的威脅就降低很多。這種治理方式投資很大，還需要協(xié)調(diào)規(guī)劃電網(wǎng)的發(fā)展。

2.隔離諧波。在非線(xiàn)性用電設(shè)備或者儀器設(shè)施上不斷出現(xiàn)所謂的諧波，危害性極大，會(huì)降低本級(jí)輸電網(wǎng)絡(luò)的工作效率，由于變壓器的作用，還會(huì)使得這種危害變得更加強(qiáng)大。需要將這些非線(xiàn)性用電設(shè)備儀器產(chǎn)生的諧波影響減少到最低，這樣的治理方法在電網(wǎng)和供電中被大量使用。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能要通過(guò)不同接線(xiàn)組的變壓器來(lái)進(jìn)行工作，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的各種零序分量諧波及各自層級(jí)的輸電網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行隔離。經(jīng)過(guò)這樣的處理，在高壓輸電網(wǎng)上產(chǎn)生的諧波分量就會(huì)變小，甚至是變?yōu)榱恪?/p>

3.安裝濾波器。因?yàn)樵诤芏喙I(yè)變電所及用戶(hù)側(cè)的諧波治理過(guò)程中，很多時(shí)候會(huì)采用安裝諧波過(guò)濾器的方式來(lái)降低諧波產(chǎn)生的數(shù)量。所使用的濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩個(gè)不同的種類(lèi)，分別針對(duì)不同的諧波進(jìn)行治理。

有源濾波器的工作原理是將電源側(cè)產(chǎn)生的電流波型參照正弦波的波型，如果有相差的部分只能用有源濾波器來(lái)重新補(bǔ)償，這也是諧波治理方式的一個(gè)方向。現(xiàn)階段的功率電子元器件成本很高，沒(méi)有條件做大范圍的推廣和運(yùn)用。但在將來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，各項(xiàng)成本的降低，這樣的方式是很具有光明前景的。

無(wú)源濾波器的原理則是運(yùn)用并聯(lián)或者串聯(lián)的方式，讓諧波不斷產(chǎn)生諧振，在串聯(lián)諧振發(fā)生的時(shí)候，這次諧波的電壓就會(huì)很小，有時(shí)候無(wú)限趨近于無(wú)。用這樣的方式將濾波器放置在變壓器的側(cè)出口處，在濾波器的作用下變壓器的一次側(cè)的諧波數(shù)量也會(huì)減少，這樣就達(dá)到對(duì)第一次第二次產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理的效果。無(wú)源濾波器多采用串聯(lián)的方式進(jìn)行，在使用的過(guò)程中經(jīng)常運(yùn)用兩組以上的濾波器配合使用。在經(jīng)過(guò)多次諧振之后，起到補(bǔ)償電容器組件的效果。在電力輸送中，這樣的方式經(jīng)常運(yùn)用在110KV和35KV的變電所的母線(xiàn)輸電上。

因?yàn)橛?jì)算誤差和精度及電容器電感器件制造的差異性等各種原因，要是固定用計(jì)算出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行配置，在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)審查的時(shí)候就很難通過(guò)。要想保證串聯(lián)的濾波器能夠在多次的諧波頻率中進(jìn)行諧振，就要讓電感保持一定程度的調(diào)節(jié)范圍和誤差允許，在這樣的基礎(chǔ)上才能保證濾波器的順利和穩(wěn)定運(yùn)行。在具體的使用過(guò)程中，還需要進(jìn)行調(diào)試和裝配。

三、總結(jié)諧波治理辦法和未來(lái)的前景

1.如果是電弧加熱用電儀器和設(shè)備，需要用6相和12相等多相電弧爐變壓器，讓低層次的諧波數(shù)量和比例逐漸下降，高層次諧波的數(shù)量和比重提高?，F(xiàn)在經(jīng)常用的是兩臺(tái)不同的變壓器在工作過(guò)程中再分別配置上兩臺(tái)相同容量和體積的電弧爐，用這樣的方式將兩個(gè)爐同時(shí)作業(yè)。通過(guò)串聯(lián)無(wú)源濾波器的作用治理下讓這些用電設(shè)施上產(chǎn)生的諧波不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.如果是交流整流直流用電設(shè)施就使用多相整流。多相整流在工作中產(chǎn)生的諧波數(shù)一般為流相整數(shù)上下浮動(dòng)1次，不同相的整流設(shè)備諧波數(shù)量不一樣，有十一次，十三次和二十五次的，諧波產(chǎn)生的頻率越高，串聯(lián)濾波器的投入就越小，諧波的治理就越好。

3.如果是開(kāi)關(guān)電源及設(shè)施的諧波處理。方法是運(yùn)用兩臺(tái)變壓器進(jìn)行初步并聯(lián)，這是工業(yè)上用的典型方式，用到的儀器是中頻爐。通過(guò)變壓器的帶動(dòng)讓兩臺(tái)相同容量的頻爐能夠同時(shí)進(jìn)行操作。用這樣的方式來(lái)提高產(chǎn)生更多強(qiáng)度更大的諧波，并且進(jìn)行串聯(lián)吸收，這樣就能減少諧波反射的數(shù)量。

4.變頻器中的諧波處理方式。西方歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的變頻器和諧波治理的設(shè)施是一起進(jìn)行銷(xiāo)售和供應(yīng)。兩者之間的價(jià)格沒(méi)有相差多少，中國(guó)大部分的企業(yè)都僅僅配置變頻器，沒(méi)有安裝諧波治理的配套設(shè)施。但是變頻技術(shù)使用范圍越來(lái)越大，輸電網(wǎng)中的諧波影響程度會(huì)越來(lái)越大，因此最好兩者還是一起進(jìn)行配置的比較好。

可以將電動(dòng)機(jī)多放置一些在用戶(hù)側(cè)。用這樣的方式不僅可以進(jìn)行無(wú)功率補(bǔ)償，逐步降低電壓波動(dòng)和閃變的影響，同時(shí)還可以吸收很大一部分的諧波電流。這樣對(duì)于諧波的降低和治理也是有很大程度幫助的。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，諧波產(chǎn)生的影響對(duì)于輸電和供電的效率來(lái)說(shuō)不可忽視，需要根據(jù)實(shí)際采用各種方法治理諧波，減少諧波的產(chǎn)生，將諧波的影響降到最低。在選擇治理諧波的時(shí)候，要仔細(xì)分析這些諧波治理方法，找到最適合有效率的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷佳琪，李欣，李超，王黎明.電力系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與諧波治理[J].節(jié)能，2019，38（12）：51-52.

[2]董金龍.電力系統(tǒng)諧波治理的基本方法分析[J].煤，2018，27（06）：81-82.

[3]秦豐.電力系統(tǒng)諧波治理的基本方法分析[J].煤，2018，27（04）：85-86.

[4]李錦華.淺談電力系統(tǒng)諧波治理技術(shù)[J].通訊世界，2018（03）：229-230.