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、簡單有效、價格較低等優(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)展開成傅里葉級數(shù)形式，其大于基頻的分量即為諧波。圖1為一實(shí)測畸變電流波形，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)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機(jī)振動，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)施的誤動作，造成繼電保護(hù)等自動裝置工作紊亂;

(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)量儀表特別是感應(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，目前許多國家、國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)督管理的國家標(biāo)準(zhǔn)。除要求電網(wǎng)各級電壓的諧波水平不超出國標(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，無功補(bǔ)償電容器會與系統(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，由(2)式確定。同時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。當(dāng)頻率高于串聯(lián)諧振頻率f1時， Ish/Ilh總是小于1的，即頻率高于的諧波f1的諧波不會被放大。因此只要針對系統(tǒng)中的最低次諧波頻率，選擇適當(dāng)?shù)碾娍孤?，使諧振頻率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)時的涌流，其電抗率一般小于1%。這類電抗器對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，電抗率通常取6%或7%;抑制3次以上諧波放大時電抗率通常取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，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，電抗率一般取4%-5%，對應(yīng)f1在250Hz-224Hz之間。

圖8為針對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;