電網(wǎng)諧波對(duì)并聯(lián)電容器組的危害及抑制措施

摘 要：工業(yè)、企業(yè)用電設(shè)備中，由于存在大量的非線性負(fù)荷，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓電流都含有程度不等的諧波分量。并聯(lián)電容器組在電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)起著保證電壓質(zhì)量的重要作用。但實(shí)際運(yùn)行中，電容器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熔斷器發(fā)熱、絕緣下降、電容值變化等故障。分析其原因，諧波危害占很大的比例。本文通過(guò)分析諧波對(duì)電容器組的危害原因，提出了采用有源串聯(lián)濾波器限制諧波的方法。此裝置濾波電感小、尺寸小、重量輕、良好的濾波特性和電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展具有廣闊前景。

工業(yè)、企業(yè)用電設(shè)備中，由于存在大量的非線性負(fù)荷，導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓電流都含有程度不等的諧波分量。實(shí)際運(yùn)行中，電容器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熔斷器發(fā)熱、絕緣下降、電容值變化等故障。分析其原因，諧波危害占很大的比例。

1. 諧波對(duì)電容器組的危害

A.諧波電流導(dǎo)致電容器發(fā)熱

當(dāng)電容器組投入運(yùn)行時(shí)，其端電壓主要存在3、5、7次諧波，其有效值如下：

其中 從(1)~(3)公式可以看出,當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí),電流的有效值比電壓的有效值增長(zhǎng)要快,高次諧波更明顯。諧波電流的增長(zhǎng)使電容器組的損耗功率增加,而框架式電容器組的介質(zhì)聚丙烯，其電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即溫度的上升電阻將變小，這又會(huì)使電流進(jìn)一步增大，損耗亦增大，最終導(dǎo)致電容器組異常發(fā)熱、介質(zhì)材料老化、電容值變化，甚至發(fā)生事故。

B.諧波電壓導(dǎo)致介質(zhì)局放

由于3次、5次、7次諧波的疊加，電網(wǎng)中的電壓波形呈尖頂狀。在尖頂狀電壓波的作用下，每個(gè)周波的局部放電能量顯著增加。而固體介質(zhì)中的樹(shù)枝長(zhǎng)度，即細(xì)溝狀的放電通路與每周波最大放電電荷量密切相關(guān)。每周波放電電荷量越大，樹(shù)枝長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越易誘發(fā)局部放電。這樣，使介質(zhì)的絕緣下降，縮短了并聯(lián)電容器組的壽命。

2. 限制電網(wǎng)諧波的方法

A.有源串聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)及原理

目前電網(wǎng)主要采用并聯(lián)電容器組串聯(lián)一定電抗率及容量的電抗器組成串聯(lián)諧振回路來(lái)抑制諧波。串聯(lián)電抗器不僅可以抑制電網(wǎng)諧波，還可以限制一定程度的合閘涌流。但其也有不足之處：

可能發(fā)生串、并聯(lián)諧振，導(dǎo)致過(guò)電壓、過(guò)電流

損壞電容器和電抗器;由于負(fù)荷的可變性，不易實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)諧波，及時(shí)抑制;串聯(lián)電抗器抬高了電容器端電壓，而電容器組能承受1.1倍的長(zhǎng)期工頻過(guò)電壓;串聯(lián)電抗器抵消了一部分電容器無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰Γ瑢?duì)提高功率因數(shù)是不利的。

上面所述發(fā)生串、并聯(lián)諧振對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行最大，也最嚴(yán)重。針對(duì)串聯(lián)電抗器的不足，文獻(xiàn)[4]提出了有源串聯(lián)電力濾波器在電網(wǎng)中的應(yīng)用，此裝置包括電力變換器、串聯(lián)的電感和電容、高頻紋波過(guò)濾器。如圖1所示，當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波分量時(shí)，電力變換器將補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流通過(guò)串聯(lián)的電感和電容流入電網(wǎng)以抵消諧波電流成分。電感的作用是過(guò)濾電力變換器的開(kāi)關(guān)紋波，電容則是提供穩(wěn)定的無(wú)功功率。高頻紋波過(guò)濾器由一系列電容和電抗組成，用來(lái)進(jìn)一步過(guò)濾電力變換器的開(kāi)關(guān)紋波。

圖2是有源串聯(lián)濾波器的等效電路圖，圖中兩個(gè)電壓源，一個(gè)是電網(wǎng)電壓源，另一個(gè)是電力變換器電壓源。圖2可以進(jìn)一步分成工頻等效電路和諧波等效電路，如圖3所示 。圖3(a)所示為工頻等效電路，若電源損耗忽略不計(jì)，電力變換器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓僅含有諧波成分。因此，工頻下電力變換器的電壓源視為短路，由圖3(a)可以看出，串聯(lián)的電感和電容在工頻下為容性，這樣就提供了穩(wěn)定的無(wú)功補(bǔ)償。圖3(b)為諧波下的等效電路。由于電力變換器的開(kāi)關(guān)頻率大于串聯(lián)電感和電容的諧振頻率，所以串聯(lián)電感和電容呈感性，整體作為電感過(guò)濾電力變換器的開(kāi)關(guān)紋波。為了抑制諧波電流，補(bǔ)償電壓可以寫為表達(dá)式：

其中 為負(fù)荷諧波電流， 為串聯(lián)電感和電容的阻抗。若電力變換器產(chǎn)生補(bǔ)償電壓如表達(dá)式(4)，那么這個(gè)電壓轉(zhuǎn)化成補(bǔ)償電流，與電網(wǎng)諧波電流方向相反，這樣諧波電流就抵消了。

B.電力變換器的控制回路

從圖4可以看出，控制回路主要有負(fù)荷電流、電網(wǎng)電流、電力變換器輸出電流和直流母線電壓四種信號(hào)，相應(yīng)地控制過(guò)程分為四部分：

圖4、電力開(kāi)關(guān)控制過(guò)程框圖

第一部分為了實(shí)現(xiàn)諧波電流和串聯(lián)阻抗的乘積，即表達(dá)式(4)。負(fù)荷電流首先通過(guò)帶阻濾波器I得到諧波電流，然后通過(guò)PID控制器就是補(bǔ)償電壓。

第二部分是為了修正第一部分所得補(bǔ)償電壓的誤差。電網(wǎng)電流通過(guò)帶阻濾波器II得到諧波電流，然后通過(guò)放大器I得到比例放大的諧波電流。

第三部分是為了避免高頻振蕩，產(chǎn)生一個(gè)和電感電容串聯(lián)的虛擬電阻。電力變換器輸出電流通過(guò)帶通濾波器得到其工頻電流，然后將電力變換器輸出電流和其工頻電流經(jīng)過(guò)減法器得到電力變換器諧波電流。然后經(jīng)過(guò)放大器II得到比例放大的信號(hào)。

第四部分用來(lái)校正直流母線電壓。直流母線電壓通過(guò)低通濾波器濾去直流紋波。

C.有源串聯(lián)濾波器特點(diǎn)

此有源串聯(lián)濾波器不僅可以補(bǔ)償無(wú)功改善電壓質(zhì)量，還可以及時(shí)抑制電網(wǎng)中變化的諧波。相對(duì)于

串聯(lián)一定電抗率及容量的電抗器的方法，具有明顯優(yōu)勢(shì)。而且此裝置的電感小、尺寸小、重量輕、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展具有廣闊前景。

3. 結(jié)論

由于電網(wǎng)存在大量的非線性負(fù)荷，導(dǎo)致其電壓電流都含有程度不等的諧波分量。電容器組在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熔斷器發(fā)熱、絕緣下降、電容值變化等故障，分析其原因，諧波危害占很大的比例。本文通過(guò)分析諧波對(duì)電容器組的危害原因，提出了采用有源串聯(lián)濾波器限制諧波的方法。此裝置濾波電感小、尺寸小、重量輕、良好的濾波特性和電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的發(fā)展前景。。該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http://www.ems86.com總第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----轉(zhuǎn)載須注名來(lái)源

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