諧波抑制的工程設(shè)計(jì)方法探討

1前言

隨著大功率半導(dǎo)體電力變流器、變頻器等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，愈來愈多的諧波電流被注入了電網(wǎng)，由于電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯后，且諧波的消極影響越來越嚴(yán)重，因此，如何有效地抑制諧波是電力設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

2諧波的危害

（1）增加了無功功率消耗和銅損

在電流波形畸變的情況下，電力系統(tǒng)的視在功率應(yīng)為：

S2=P2＋Q2＋T2(1)

式中：S為視在功率；

P為有功功率；

Q為無功功率；

T為畸變功率。

由于諧波電壓和電流的頻率不同，其相角差隨頻率差作周期性變化，累計(jì)的功率之和為零，所以畸變功率具有無功功率性質(zhì)。

諧波電流將使電力系統(tǒng)中的元件如電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動(dòng)機(jī)總損耗增加，溫升增加及效率降低。電動(dòng)機(jī)將多吸收無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)下降。

（2）含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)高次諧波阻抗很小，諧波電流加在電容器的基波上，使電容器的總運(yùn)行電流增大，溫升提高，很容易發(fā)生過負(fù)荷以至損壞，導(dǎo)致使用壽命縮短。同時(shí)，諧波對(duì)電容器參數(shù)匹配產(chǎn)生影響，有可能在電網(wǎng)中造成高次諧波諧振，使故障加劇。

（3）由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差造成觸發(fā)角偏移

及電流、電壓變化率過高，引起晶閘管故障，甚至引起變流裝置、自動(dòng)控制裝置的控制失靈和誤動(dòng)作，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障。

（4）持續(xù)的諧波含量過高，將加速變壓器、電動(dòng)

機(jī)、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下，特別在瞬態(tài)過程中，還可能引起諧振過電壓。

（5）諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應(yīng)耦

合，會(huì)在通訊線路中感應(yīng)出相當(dāng)大的諧波電壓，從而對(duì)通訊線路造成干擾，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

3諧波的抑制措施

根據(jù)GB/T1454993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求，必須對(duì)各種非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。

在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級(jí)；增加變流裝置的脈動(dòng)數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，如：盡可能保持三相負(fù)荷平衡，避免各類電磁系統(tǒng)飽和，錯(cuò)開系統(tǒng)諧振點(diǎn)，由專門電路為諧波源負(fù)載供電等，都能減小系統(tǒng)中的諧波成份。但其中許多措施都會(huì)大大增加系統(tǒng)和設(shè)備的投資，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，設(shè)置交流濾波器是有效抑制諧波和改善波形的積極措施，同時(shí)濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無功。

圖1高次諧波等效電路

(a)接線系統(tǒng)(b)等效電路

圖2單調(diào)諧濾波器

(a)結(jié)構(gòu)(b)y=f(δ)特性

圖3高通濾波器

(a)結(jié)構(gòu)(b)阻抗頻率特性

整流器、逆變器等非線性負(fù)荷，因?yàn)槠浔旧砜梢员硎緸楫a(chǎn)生高次諧波電流的恒流源，故可用圖1來表示高次諧波的等效電路。