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什么叫谐波?抑制谐波的措施有哪些?

发布日期:2021-08-04 11:01   来源:未知   阅读:

  谐波是一系列的正弦波,其频率是基波的整数倍这一系列的正弦波中,存在无数种频率不同、幅值不同的频率波,这些正弦波会造成电力系统中的正弦电流以及电力系统电压不对称,对系统造成非常严重的危害。

  因为谐波的危害十分严重,研究谐波的意义重大,谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

  “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。

  在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为l00Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中, 由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载, 出现的谐波电流是6n1次谐波,例如5、六合高手区7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。

  到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

  从严格的意义来讲,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波,这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念,才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

  由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

  电力系统向非线性设备以及负荷设备供电时会产生高次谐波电力系统向这些设备传递和供给基波能量的同时,也将一部分的基波能量转换为谐波能量,进而产生高次谐波,这一系列高次谐波导致电力系统中的电压和电流波严重畸变,对电力系统的稳定性和安全性造成巨大的影响。

  为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题,基本思路有两条:一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波,这对各种谐波源都是适用的;另一条是对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1,这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

  装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不甚理想。

  无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、C、R元件构成无源网络,吸收负载产生的谐波电流。无源滤波器分调谐滤波器与高通滤波器,前者分单调谐滤波器和双调谐滤波器,用于吸收单一次数或相邻的两次谐波,后者用于吸收某一次及以上各次谐波。无源滤波器滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供容性基波无功功率,同时兼顾谐波源无功补偿的需要。由于具有成本低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,无源滤波器时目前采用的抑制谐波即无功补偿的主要手段。

  滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成,有时再加一组高通滤波器。单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振构成,如下图所示。滤波器对n次谐波阻抗为

  R很小,所以n次谐波电流主要由R分流,很少流入电网中,而对于其他次数的谐波,谐波阻抗Z》》R,滤波器分流很少。双调谐滤波器图4一1(b)的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器,它同时吸收两种频率的谐波。与两个单调谐滤波器相比,减少了回路,基波损耗较小,只有一个电抗器承受全部冲击电压。这种滤波器结构比较复杂,调谐较困难,但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术经济上的优势。

  高通滤波器有一阶减幅型(图4一1(c))、二阶减幅型(图4一1(d))、三阶减幅型(图4一1(e))和C型(图4一1(f))。当频率低于其截止频率f0(f0=1/2RC)时,由于容抗的作用,使得低次谐波电流难以通过;而当频率高于f0时,由于容抗减小,高次谐波电流便可顺利通过电容器和电阻,总的阻抗也变化不大,形成一个通频带。一阶减幅型由于基波功率损耗太大,

  一般不采用;二阶减幅型的基波损耗较小,且阻抗频率特性较好,结构也简单,故工程上用的较多;三阶减幅型的基波损耗更小,但特性不如二阶减幅型,用的也不太多;C型滤波器滤波特性介于二阶和三阶之间,主要优点是C与L对基波串联调谐,有功功率损耗较低

  低成本的无源滤波器是至今为止在滤除谐波时使用最为广泛的补偿装置,用其抑制谐波在经济上和技术上都可以接受。其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能消除特定次谐波,导致整个装置占地面积大。因而随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器

  快速变化的谐波源,如:电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率,从而提高功率因数。另外,无功补偿装置中通过电感和电容的合理设置,可在某次频率点产生谐振,即可对该频率的谐波实现滤波。可有效减少波动的谐波量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因数。

  静止补偿装置的基本结构是由快速变化的电抗或电容元件组合而成。目前应用较多的四种是自饱和电抗器SR、晶闸管控制电抗器、晶闸管控制高漏抗变压器和晶闸管投切电容器。自饱和电抗器SR由负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度,当负荷发生变化时其电抗值随之发生变化,从而调节无功输出的大小:晶闸管控制电抗器TCR通过改变控制角而改变导通时间,相当于调节电抗器电抗达到改变无功输出的目的;晶闸管控制高漏抗变压器TCT工作原理与TCR相同,晶闸管断开时呈高电抗特性,接通时根据控制角调节无功输出的大小,因为使用了变压器,故可以直接接入高压侧;晶闸管投切电容器TSC的晶闸管在超前电压90度时接通并在断开前一直保持该控制角,如果电压是正弦波,则流过TSC电流也是正弦波,故没有谐波产生,但这种TSC不能在导通期间改变无功输出的大小。

  由于TCR和TCT通过控制晶闸管的开通角度以调节电抗器电抗,在控制角大于90时不能得到与交流电源对应的完整波形。SR的谐波来自磁饱和和非线性。所以这三种形式不可避免有谐波产生。因此在使用时必须考虑到对它们自身所产生谐波的抑制,这就增加了结构和设计上的复杂

  无源滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量,抑制某些谐波,但却不能对变的高次谐波动态补偿。现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器 APF(AC activePowerFilter)了。APF能对幅值和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿。利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。

  有源滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络,因此可以分为并联有源滤波器和串联滤波器。其基本结构是一个DCAC逆变桥与或一个谐波注入电路。按照PWM逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有源滤波器。

  1896年,AkagiH提出用并联有源滤波器消除谐波的方法,如同4一2所示。这种装置相当于一个谐波电流发生器,它跟踪负载电流中的谐波分量,产生与之相反的谐波电流,从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用,可以对谐波、无功、不平衡分量进行补偿,功能多,连接也方便。但是,由于电源电压直接加在逆变桥上,对开关器件电压等级要求高;负载谐波电流含量高时,这种有源滤波器装置的容量也必须很大,因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难,所以它只适合电感型负荷的谐波补偿;开关引起的谐波电流将影响电路中的PF或电容器的滤波特性,若利用LC网络吸收这部分高次谐波,由于LC网络受电网参数的影响,PWM逆变器输出的谐波频带又很宽,所以LC网络难以设计

  为了降低加到逆变桥的交流电压,可以选择用LC串联或并联网络作为注入电路,如图4一3、图4一4所示。在图途4一3中,LC在基波频率处串联谐振,逆变桥不承受基波电压,而在谐振频率之处有Zr》》Zc,滤波器产生的谐波电流可以完全流入主电路。并联LC方式原理与之类似

  为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿,可以将高次谐波和低次谐波分开各相单独补偿,也可将有源滤波器和无源滤波器相结合进行补偿。并联有源电力滤波器能对谐波和无功功率进行补偿,其补偿特性不受电网阻抗的影响,主要适用于感性电流源负载的谐波补偿,目前技术上比较成熟,但其有源装置容量相对较大,投资多,运行效率低。

  图4一5是单独使用串联有源电力滤波器的方案。通过3个单相变压器串联在电源和负载之间,串联有源电力滤波器在此系统中相当于一个电压控制电压源,跟踪电源电压中的谐波分量,产生与之相反的谐波电压,使负载端交流侧电压为正弦波。主要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响,以及系统侧电压谐波电压波动对敏感负载的影响。串联有源电力滤波器装置容量小,运行效率高,对谐波电压源类型的负荷有较好的补偿特性。但其绝缘强度高,难以适应线路故障条件而且不能进行无功功率动态补偿,工程实用性受到限制,其投切、故障后的退出及各种保护较并联型APF复杂。目前单独使用少,国内外研究主要集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器。

  与无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践,而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高,有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

  在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。