電力系統(tǒng)中的諧波問題及其解決方法

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負(fù)載發(fā)射的。開關(guān)模式電源(SMPS)、調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、復(fù)印機(jī)、個(gè)人電腦、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、電池充電器以及UPS等都屬于非線性負(fù)載。單相非線性負(fù)載在現(xiàn)代辦公大樓中較為常見，而三相非線性負(fù)載則普遍存在于工廠和工業(yè)車間里。

　　多數(shù)配電系統(tǒng)上的大部分非線性電力負(fù)載來自SMPS設(shè)備。比如，所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用SMPS把市電交流電壓轉(zhuǎn)換為供內(nèi)部電子設(shè)備使用的穩(wěn)定低壓直流電。這些非線性電源會(huì)產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴(yán)重失真——諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統(tǒng)，將影響連接在同一電源上的其他設(shè)備。

　　多數(shù)電力系統(tǒng)可以容忍一定程度的諧波電流，但當(dāng)諧波在總負(fù)載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。隨著這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統(tǒng)，它們會(huì)造成通信錯(cuò)誤、過熱和硬件受損，比如：

　　配電設(shè)備、電纜、變壓器、備用發(fā)電機(jī)等過熱

　　諧波阻抗造成的高電壓和環(huán)流

　　發(fā)熱并浪費(fèi)電能的高中性線電

　　因電壓失真嚴(yán)重導(dǎo)致設(shè)備故障

　　增大了連接設(shè)備中的內(nèi)部能耗，造成元器件失效并縮短使用壽命

　　支路斷路器偽跳閘

　　計(jì)量錯(cuò)誤

　　配線和配電系統(tǒng)失火

　　發(fā)電機(jī)失效

　　高振幅系數(shù)及有關(guān)問題

　　降低系統(tǒng)功率因數(shù)，導(dǎo)致可用功率減小(kW對(duì)kVA)和每月電費(fèi)處罰

　　諧波技術(shù)概覽

　　諧波是頻率達(dá)基頻整數(shù)倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那么第2諧波為120 Hz，第3諧波為180 Hz等(見圖1)。當(dāng)諧波頻率占主導(dǎo)時(shí)，配電盤和變壓器會(huì)與高頻諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成機(jī)械共振。發(fā)生這種情況時(shí)，配電盤或變壓器會(huì)振動(dòng)并針對(duì)不同諧波頻率發(fā)出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統(tǒng)中最為常見的頻率范圍。

　　圖1 電流波形的諧波失真

K級(jí)干式變壓器在電氣環(huán)境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設(shè)計(jì)中的最新進(jìn)步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。

　　諧波減緩式變壓器(HMT)用于處理電氣系統(tǒng)的非線性負(fù)載。該變壓器利用電磁減輕技術(shù)專門處理三倍序號(hào)(第3、9、15…..)諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環(huán)流。該變壓器也通過使用相轉(zhuǎn)移處理第5和第7諧波。

　　利用這兩種電磁技術(shù)，HMT允許負(fù)載按照其廠家設(shè)計(jì)的方式工作，同時(shí)將諧波對(duì)能耗和失真的影響降至最低。多數(shù)HMT超過了NEMA TP-1效率標(biāo)準(zhǔn)，即使在使用100%非線性負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)時(shí)。只要規(guī)定了K級(jí)變壓器，等效HMT就可以作為直接代用品。

　　使用HMT的主要優(yōu)點(diǎn)

　　防止非線性負(fù)載造成的電壓平頂

　　減小上游諧波電流

　　消除變壓器過熱和工作溫度過高

　　消除一次繞組環(huán)流

　　通過減少諧波損耗達(dá)到節(jié)能

　　維持高能效，即使在非線性負(fù)載較為嚴(yán)重的情況下

　　處理K級(jí)變壓器不能解決的電力質(zhì)量諧波問題

　　適合K系數(shù)較高的負(fù)載，而不會(huì)增大涌入電流

　　提高功率因數(shù)

　　其他諧波減輕方法

　　首次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心時(shí)，HMT是變壓器的首選。然而，如果現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在諧波問題，可使用鋸齒形自動(dòng)變壓器限制三倍序號(hào)諧波及第5、第7諧波的影響。

　　鋸齒形自動(dòng)變壓器是一種只有一次繞組而沒有二次繞組的中性形成變壓器。每個(gè)鐵芯有兩個(gè)一次繞組，它們按相反方向繞線，對(duì)正常相電流提供了較高的阻抗。

　　當(dāng)靠近負(fù)載放置時(shí)，鋸齒形自動(dòng)變壓器可以捕獲三倍序號(hào)諧波。這種自動(dòng)變壓器的規(guī)格必須大到足以處理諧波。三倍序號(hào)諧波將僅限于自動(dòng)變壓器和該負(fù)載，從而防止上游配電設(shè)備遇到諧波。然而，自動(dòng)變壓器不能用于把電壓改為與電源(電壓)不同的水平。

　　可以通過上述自動(dòng)變壓器與一條二次饋線并聯(lián)來消除三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。這條饋線一般由不同電源供電。自動(dòng)變壓器和這條二次相轉(zhuǎn)移電源一起共同捕獲三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。這種應(yīng)用相當(dāng)棘手，因?yàn)檫@兩個(gè)電源都要承載平衡負(fù)載，才能有效捕獲三倍序號(hào)諧波、第5、第7諧波。

　　但這兩種應(yīng)用對(duì)于消除有害諧波十分有效。然而，安裝單臺(tái)諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設(shè)備最具成本效益的方法。

　　小結(jié)

　　諧波電流對(duì)配電系統(tǒng)極其饋電的設(shè)施具有重大影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。此外，確定非線性負(fù)載的規(guī)模和位置也是所有維護(hù)、故障排除和修理計(jì)劃的重要組成部分之一。

所有周期波都會(huì)隨各種頻率的正弦波產(chǎn)生。傅里葉定律把一個(gè)周期波分解為其分量頻率。

　　諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

　　圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

　　信號(hào)的總諧波失真是衡量諧波失真的指標(biāo)，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號(hào)的失真程度(見圖3)。

　　圖3 總諧波失真