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濾波補(bǔ)償原理

諧波的來(lái)源

諧波是一個(gè)週期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。

在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由於非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)係，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由於半導(dǎo)體晶閘管的開(kāi)關(guān)操作和二極體、半導(dǎo)體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。

所有的非線性負(fù)荷都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有：開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)、電子螢光燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動(dòng)裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機(jī)等。

諧波的分類

1、諧波的次數(shù)h必須為基波頻率的整數(shù)倍。

2、間諧波和次諧波。在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)非工頻頻率整數(shù)倍的週期性電流的波動(dòng)，從而出現(xiàn)非基波整數(shù)倍頻率的電流分量，稱為分?jǐn)?shù)諧波或稱為間諧波。頻率低於工頻的間諧波又稱為次諧波。

3、暫態(tài)過(guò)程的波形是一個(gè)帶有明顯高頻分量的畸變波形，但這些高頻分量並不是諧波，與系統(tǒng)的基波頻率無(wú)關(guān)。諧波是在穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)的，並且其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。產(chǎn)生諧波的畸變波形是連續(xù)的，或至少持續(xù)幾秒鐘，而暫態(tài)現(xiàn)象則通常在幾個(gè)週期後就消失了。

4、短時(shí)間諧波。對(duì)於短時(shí)間的衝擊電流，例如，變壓器空載合閘的勵(lì)磁湧流，按週期函數(shù)分解，將包含短時(shí)間的諧波和間諧波電流，稱為短時(shí)間的諧波電流或快速變化諧波電流，應(yīng)將其與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波區(qū)別開(kāi)來(lái)。

5、陷波。換流裝置在換相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)陷波或稱換相缺口。這種畸變雖然也是週期性的，但與通常所說(shuō)的諧波問(wèn)題不同。

諧波的基本概念

1、每個(gè)諧波分量都具有不同的頻率，幅度與相角。

2、h為奇數(shù)的諧波，被稱為“奇次諧波”；h為偶數(shù)的諧波，被稱為“偶次諧波”。在平衡的三相系統(tǒng)中，由於對(duì)稱關(guān)係，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。同時(shí)，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、h=3k+1，k=0，1，2…次諧波稱為正序性諧波，其諧波相序與基波相同；h=3k+2次諧波稱為負(fù)序性諧波，其諧波相序與基波相反；h=3k+3次諧波稱為零序性諧波，其三相諧波都有相同的相位。

4、諧波電流的含有率定義為，此處電流均是均方根值。

5、諧波電流畸變率定義為，其中M在國(guó)標(biāo)中定為25次。

6、引入電流畸變後，，故此時(shí)功率因數(shù)還與電流畸變程度相關(guān)。

7、含有諧波的電流將在供電電網(wǎng)變壓器的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)非正弦曲線的電壓降，從而導(dǎo)致電壓畸變。

8、供電網(wǎng)路中一個(gè)用戶工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)可能被相鄰的另一個(gè)用戶設(shè)備所產(chǎn)生的諧波所干擾。

典型的諧波源

一般而言，當(dāng)前電力系統(tǒng)的諧波源，就其非線性特性而言主要有三大類：

1、鐵磁飽和型：如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。

現(xiàn)代製造的變壓器常設(shè)計(jì)在額定電壓時(shí)的磁密已接近磁化飽和特性曲線的拐點(diǎn)，所以當(dāng)電壓超過(guò)額定值後，變壓器的諧波電流隨電壓升高而迅速增加。在輕負(fù)荷期間，運(yùn)行電壓較高，鐵芯飽和程度變深，故而諧波含量增大。其中，單相或三相Y形中性點(diǎn)接地的變壓器電流含有大量的3次諧波電流?！餍谓泳€和Y型中性點(diǎn)不接地變壓器，可防止零序性諧波電流的流通。

2、電子開(kāi)關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備、PWM變頻器以及開(kāi)關(guān)電源等電力電子設(shè)備。

電力系統(tǒng)中最重要的非線性負(fù)荷是產(chǎn)生諧波電流並具有相當(dāng)容量的功率換流器。其諧波幅值大小與換流器的脈動(dòng)數(shù)和控制角有關(guān)。變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

3、電弧型：交流電弧爐、交流電焊機(jī)以及螢光燈等。

這些設(shè)備，即使供給它理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在。其諧波電流含量基本決定於它本身的特性和工作狀況以及施加給它的電壓，而與電力系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)係不大，因而常被看作諧波恒流源。

電弧爐諧波電流含有率 （%）

螢光燈的電子控制調(diào)節(jié)器產(chǎn)生大量的3次諧波。

諧波的危害

在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究，並有一定認(rèn)識(shí)，但當(dāng)時(shí)諧波污染還沒(méi)有引起足夠的重視。

近三四十年來(lái)，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。

諧波的危害十分嚴(yán)重：

1、增加企業(yè)的電力運(yùn)行成本

諧波電流將會(huì)通過(guò)變壓器“遊回”高壓電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)線路損耗增加、電力設(shè)備發(fā)熱，從而加大了企業(yè)電力運(yùn)行成本和電費(fèi)的支出。

2、變壓器附加發(fā)熱

諧波電流及其引起的電壓畸變會(huì)導(dǎo)致變壓器的銅耗和鐵損增加。同時(shí)，變壓器在嚴(yán)重的諧波影響下將出現(xiàn)渦流損耗激增，其損耗與諧波電流的頻率的平方成正比。故諧波電流將導(dǎo)致變壓器局部過(guò)熱，振動(dòng)雜訊增大，加速絕緣老化，嚴(yán)重縮短了變壓器的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產(chǎn)過(guò)程中造成斷電的嚴(yán)重後果。

3、引發(fā)諧振

電網(wǎng)中含有大量串、並聯(lián)的容性和感性的負(fù)載，構(gòu)成了許多串聯(lián)或並聯(lián)的諧振的條件。若諧波電流在該頻率上出現(xiàn)分量，則易形成該諧波電流分量放大並可能出現(xiàn)諧振，從而導(dǎo)致過(guò)電壓或過(guò)電流，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行並引發(fā)輸配電事故。

4、損害發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)

電機(jī)受諧波電壓畸變的影響較大。諧波電壓施加在旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中將產(chǎn)生諧波磁鏈，從而降低發(fā)電及用電設(shè)備的效率。更嚴(yán)重的場(chǎng)合下，諧波振盪會(huì)使汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生震盪力矩，引起機(jī)械共振，造成汽輪機(jī)葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞迴圈，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。當(dāng)電壓畸變達(dá)到8%～10%時(shí)，電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)過(guò)度發(fā)熱問(wèn)題。

5、影響繼電保護(hù)

繼電保護(hù)裝置對(duì)於保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有十分重要的作用。而諧波電流易使電網(wǎng)的各類保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，特別是在已廣泛應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置中影響顯著，引起區(qū)域（廠內(nèi)）電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電停產(chǎn)的惡性事故。

6、導(dǎo)致計(jì)量誤差

諧波將使取電電網(wǎng)的測(cè)量?jī)x錶、計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確指示及計(jì)量的作用。

7、導(dǎo)致斷路器重燃

負(fù)載發(fā)生短路或超載時(shí)，需要斷路器開(kāi)斷。當(dāng)諧波嚴(yán)重時(shí)，斷路器遮斷能力將降低，易產(chǎn)生電弧重燃，甚至斷路器爆炸，影響電網(wǎng)的短路保護(hù)能力。

8、降低產(chǎn)品品質(zhì)

諧振電流會(huì)引起電機(jī)等設(shè)備附加振動(dòng)，使得生產(chǎn)誤差加大,降低產(chǎn)品的加工精度。

9、影響數(shù)位及類比信號(hào)通訊系統(tǒng)

當(dāng)輸電線路與數(shù)位及類比信號(hào)通訊線路平行或相距較近時(shí)，諧波將在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生干擾，從而降低資訊的傳輸準(zhǔn)確度，導(dǎo)致出現(xiàn)誤碼或雜訊，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)將威脅繼電保護(hù)的執(zhí)行。

諧波治理

70年代以來(lái)，由於電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分和關(guān)注。國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

我國(guó)為加強(qiáng)對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)、管理和治理，於1994年正式頒佈了GB/T 14549-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能品質(zhì)--公用電網(wǎng)諧波》。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同電壓等級(jí)各次諧波允許注入值都作了具體規(guī)定，同時(shí)對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓的限值。

治理諧波的方法

1、無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置

無(wú)功濾波補(bǔ)償裝置同時(shí)對(duì)基波無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償和對(duì)諧波電流進(jìn)行吸收。無(wú)功濾波補(bǔ)償裝置的成本較低，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，因此獲得廣泛應(yīng)用。

無(wú)功濾波補(bǔ)償裝置的濾波方式可分為以下幾種：

1.1、單調(diào)諧濾波器通頻帶窄，濾波效果好，損耗小，調(diào)諧容易，是使用最多的一種類型。由於單調(diào)諧濾波器使用的元件少，成本也較低，因此，極為受歡迎，應(yīng)用也就較廣泛了。

1.2、雙調(diào)諧濾波器可替代兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，只有一個(gè)電抗器承受全部衝擊電壓，但接線複雜，調(diào)諧困難，僅在超高壓系統(tǒng)中使用。

1.3、一階高通濾波器因基波損耗大，一般不採(cǎi)用。

1.4、二階高通濾波器通頻帶很寬，濾波效果好，既可調(diào)諧振點(diǎn)，又可調(diào)諧曲線銳度，並可防意外共振與放大，因此也有以二階寬通帶做低次濾波器。

1.5、三階高通濾波器一般用於電弧爐濾波

1.6、“C”式高通濾波器，可用於電弧爐濾波，對(duì)二次諧波特別有效。

2、有源諧波濾除裝置

有源濾波裝置主要是由電力電子元件和直流儲(chǔ)能元件組成電路，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。

有源濾波裝置的特點(diǎn)為：

2.1、不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)。

2.2、濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；

2.3、可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波，具有高度可控性和快速回應(yīng)性等特點(diǎn)。

2.4、採(cǎi)用的d、q、0變換適用於任意非正弦、非對(duì)稱三相電路，能夠用於各種電流分量的測(cè)量及補(bǔ)償方法。

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