電力諧波抑制與無源電力濾波技術(shù)

一 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的電力電子裝置和其他非線性負(fù)荷(又稱為畸變負(fù)荷)接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波水平逐年升高。電力諧波導(dǎo)致的各種問題日益突出，已受到供用電雙方的高度重視。對(duì)電力諧波進(jìn)行治理刻不容緩。

用串聯(lián)電抗器抑制無功補(bǔ)償電容器導(dǎo)致的諧波共振與放大，用無源電力濾波器抑制電力諧波等技術(shù)措施具有技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單有效、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，已得到日益廣泛的應(yīng)用，是治理電力諧波的有效措施。

二 電力諧波的產(chǎn)生與危害

電力諧波主要由非線性負(fù)荷產(chǎn)生。非線性負(fù)荷吸收的電流與端電壓不成線性關(guān)系，結(jié)果電流發(fā)生波形畸變且導(dǎo)致端電壓波形畸變。這種周期性的畸變波形可按基頻(50Hz)展開成傅里葉級(jí)數(shù)形式，其大于基頻的分量即為諧波。圖1為一實(shí)測(cè)畸變電流波形，圖2為畸變波形的諧波分析示意圖。

產(chǎn)生電力諧波的設(shè)備非常廣泛，主要有變頻調(diào)速器、直流調(diào)速系統(tǒng)、整流設(shè)備、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、晶閘管溫控加熱設(shè)備、焊接設(shè)備、電弧爐、電力機(jī)車、不間斷電源、計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音像設(shè)備、充電器、變頻空調(diào)、晶閘管調(diào)光設(shè)備、電子節(jié)能燈等。

諧波的危害主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和效率;

(2)引起無功補(bǔ)償電容器諧振和諧波放大，導(dǎo)致電容器因過電流或過電壓而損壞或無法投入運(yùn)行;

(3)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩致使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命;

(4)由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱;

(5)增加絕緣介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低設(shè)備使用壽命;

(6)零序諧波電流導(dǎo)致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角接法的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流;

(7)引起繼電保護(hù)設(shè)施的誤動(dòng)作，造成繼電保護(hù)等自動(dòng)裝置工作紊亂;

(8)改變電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分?jǐn)嗳萘?

(9)使計(jì)量?jī)x表特別是感應(yīng)式電能表產(chǎn)生計(jì)量誤差;

(10)干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

三 電力諧波管制標(biāo)準(zhǔn)

為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，目前許多國(guó)家、國(guó)際組織以及一些大電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。如關(guān)于公用電網(wǎng)諧波限制的IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993，關(guān)于用電設(shè)備諧波電流排放限制的IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z 17625.1-2003、GB/Z 17625.6-2003等等。

雖然各諧波標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同，但都是大同小異，且所有標(biāo)準(zhǔn)的都是基于以下三個(gè)目的：

(1)將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制到系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平;

(2)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電;

(3)不干擾其它系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作。

GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》是現(xiàn)行電力諧波監(jiān)督管理的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。除要求電網(wǎng)各級(jí)電壓的諧波水平不超出國(guó)標(biāo)限值外，要求用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流不超出國(guó)標(biāo)允許值。否則應(yīng)采取治理措施。

四 治理電力諧波的方法

諧波治理措施主要有三種：一是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，通過改進(jìn)用電設(shè)備，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波;二是受端治理，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;三是被動(dòng)治理，即通過安裝電力濾波器，阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流人負(fù)載端。

由于諧波源的廣泛性和復(fù)雜性，主動(dòng)治理方法受設(shè)備結(jié)構(gòu)、效率、成本、可靠性等因素影響，只能解決部分問題，受端治理方法和被動(dòng)治理方法仍是目前治理電力諧波問題的主要方法。例如通過串聯(lián)失諧電抗器抑制無功補(bǔ)償電容器導(dǎo)致的諧波共振放大，通過在系統(tǒng)中安裝無源電力濾波器和有源電力濾波器進(jìn)行濾波等等。

1.諧波共振抑制與串聯(lián)電抗器的應(yīng)用

1.1 無功補(bǔ)償電容器引起的諧波共振與放大

當(dāng)系統(tǒng)中含有諧波時(shí)，無功補(bǔ)償電容器會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。圖3為補(bǔ)償電容器引起5次諧波共振的實(shí)例。

圖4為補(bǔ)償電容器與電網(wǎng)阻抗并聯(lián)諧振的諧波等效電路。其中C為補(bǔ)償電容器容量， Ls和rs分別為電網(wǎng)等效電抗和等效電阻， Ilf和Ilh分別為負(fù)載的基波電流和諧波電流強(qiáng)度，Isf和Ish分別為網(wǎng)側(cè)的基波電流和諧波電流強(qiáng)度，Us為電網(wǎng)諧波電壓。

定義網(wǎng)側(cè)諧波電流Ish與負(fù)載諧波電流Ilh之比Ish/Ilh為諧波放大因子，則Ish/Ilh與諧波頻率的關(guān)系如圖5所示，共振頻率f0由(1)式確定：

作為典型參考值，假定配電變壓器短路阻抗為6%，補(bǔ)償容量為變壓器額定容量的50%(或30%)，若忽略高壓線路的短路阻抗，則諧振頻率f0約為288Hz(或372Hz)。計(jì)入高壓線路短路阻抗后f0還會(huì)略低一些。因此，如果負(fù)載電流中含有5次、7次等諧波分量，則會(huì)被顯著放大。

1.2串聯(lián)電抗器的作用

解決補(bǔ)償電容器引起諧波放大問題的有效方法是在電容器支路中串聯(lián)適當(dāng)電抗器。 如圖6所示。

串聯(lián)電抗器L后，系統(tǒng)并聯(lián)諧振頻率f0向低頻方向移動(dòng)，由(2)式確定。同時(shí)L與C構(gòu)成一串聯(lián)諧振支路，諧振頻率f1由(3)式確定。

定義電抗率為串聯(lián)電抗器的基波感抗與電容器基波容抗的比，令電抗率由0逐次增大1%，可得到一組諧波放大因子Ish/Ilh隨諧波頻率的變化曲線，如圖7所示。

隨著電抗率的增加，并聯(lián)諧振頻率f0向低頻方向移動(dòng)。當(dāng)頻率高于串聯(lián)諧振頻率f1時(shí)， Ish/Ilh總是小于1的，即頻率高于的諧波f1的諧波不會(huì)被放大。因此只要針對(duì)系統(tǒng)中的最低次諧波頻率，選擇適當(dāng)?shù)碾娍孤剩怪C振頻率f0和f1低于主要諧波頻率，即可避免諧波放大問題。

在f1附近，Ish/Ilh取得極小值，說明該頻率附近的諧波得到較大抑制，這是由于L與C串聯(lián)諧振，對(duì)諧振頻率的諧波呈現(xiàn)極小阻抗，將諧波分流的結(jié)果。

1.3 串聯(lián)電抗器的分類

在實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)電抗器可分為三類：

第一類稱作抗涌流電抗器，主要用途是限制電容器投入系統(tǒng)時(shí)的涌流，其電抗率一般小于1%。這類電抗器對(duì)抑制諧波放大一般沒有正面作用。

第二類稱作失諧電抗器或消諧電抗器，主要用于抑制無功補(bǔ)償電容器引起的諧波放大。當(dāng)用于抑制5次以上諧波放大時(shí)，電抗率通常取6%或7%;抑制3次以上諧波放大時(shí)電抗率通常取14%左右。其共同特征是電抗器與電容器的串聯(lián)諧振頻率f1明顯低于最低次主要諧波頻率。例如電抗率為6%時(shí)，f1約為204Hz，明顯低于5次諧波頻率250Hz。

第三類稱作調(diào)諧電抗器或?yàn)V波電抗器，既可抑制無功補(bǔ)償電容器引起的諧波放大，又具有較強(qiáng)的諧波電流分流作用或?yàn)V波作用。其特征是電抗器與電容器的串聯(lián)諧振頻率f1略低于欲濾除的主要諧波頻率，因此對(duì)欲濾除諧波呈現(xiàn)較低阻抗，以產(chǎn)生足夠的諧波分流效果。例如用于濾除5次諧波時(shí)，電抗率一般取4%-5%，對(duì)應(yīng)f1在250Hz-224Hz之間。

圖8為針對(duì)5次諧波串聯(lián)失諧電抗器的電容器組特性，其主要特點(diǎn)為： 1)主要作用是抑制諧波放大與共振，諧波分流作用較小; 2)補(bǔ)償電容器支路中諧波電流較小; 3)對(duì)電容器、電抗器精度要求較低; 4)可采用普通并聯(lián)補(bǔ)償電容器。

圖9為針對(duì)5次諧波串聯(lián)調(diào)諧電抗器的電容器組特性，其主要特點(diǎn)為：1)具有抑制諧波放大共振和諧波分流(濾波)雙重作用;2)補(bǔ)償電容器支路中諧波電流較大;3)對(duì)電容器、電抗器精度要求較高;4)需采用交流濾波電容器。

調(diào)諧電容器支路已構(gòu)成最簡(jiǎn)單的無源電力濾波器。

1.4 串聯(lián)電抗器的設(shè)計(jì)選用

當(dāng)負(fù)荷諧波含量很低(母線電壓諧波含量不大于1%)時(shí)可不用串聯(lián)電抗器或僅采用1%以下抗涌流串聯(lián)電抗器;