變頻電源的諧波危害及解決措施

　　一、變頻電源應(yīng)用中的問題

　　在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，用變頻電源調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，但由于變頻電源逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負(fù)載，變頻電源在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時運(yùn)行，例如計算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻電源為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量有著重要的影響。供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”，電能質(zhì)量下降。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般為2≤n≤40。

　　二、諧波的產(chǎn)生過程

　　向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設(shè)備，交流控制器和電弧爐、感應(yīng)爐、熒光燈、變壓器等。

　　諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。

　　諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次諧波。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備，例如晶閘管電路供電的直流提升機(jī)、交-交變頻裝置、軋鋼機(jī)直流傳動裝置、晶閘管串級調(diào)速的風(fēng)機(jī)水泵和冶煉電弧爐等。這些設(shè)備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形式有關(guān)，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會產(chǎn)生非特征諧波。進(jìn)行諧波分析和計算最有意義的是特征諧波，如果5，7，11，13次等。如直流側(cè)電流波紋較大，則5次諧波幅值將增大，其余各次諧波幅值將減少。當(dāng)電網(wǎng)接有多個諧波源時，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術(shù)和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當(dāng)各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘余分量(最多可達(dá)20%)進(jìn)入電網(wǎng)。

　　三、諧波危害

　　對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：

　　(1)增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益：

　　(2)電力諧波對輸電線路的影響：

　　諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。

　　(3)電力諧波對變壓器的影響：

　　諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負(fù)荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

　　(4)電力諧波對電力電容器的影響：

　　含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

　　(5)影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性：

　　特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護(hù)及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

　　(6)對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾：

　　電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全。

　　(7)對用電設(shè)備的影響：

　　電力諧波會使電視機(jī)、計算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機(jī)內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。

　　此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準(zhǔn)確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。

　　四、諧波治理

　　治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術(shù)手段。治理諧波的主要措施有：加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級；增加變流裝置的脈動數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)置交流濾波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。交流濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統(tǒng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，運(yùn)行損耗較大，設(shè)備造價高；在補(bǔ)償諧波的同時，也會注入新的諧波。無源濾波器(又稱LC濾波器)是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網(wǎng)。LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單，吸收諧波效果明顯；但僅對固有頻率的諧波有較好的補(bǔ)償效果；且補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大，在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間可能會發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。

　　五、綜述

　　無功功率補(bǔ)償，諧波治理技術(shù)是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，緩解電力供需矛盾，改善供電質(zhì)量的一種行之有效的手段之一，經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用后，能為國家和用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。將變頻電源產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。