二次谐波抑制范文

二次谐波抑制范文（精选9篇）

二次谐波抑制 第1篇

自模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构提出以来,MMC高压直流输电(MMC-HVDC)技术得到了越来越广泛的应用。作为亚洲首条MMC-HVDC柔性直流输电示范工程和国家电网公司“十一五”科技规划的重点工程,上海南汇风电场柔性直流输电工程已于2011年7月正式投入运行,该工程是中国第1条完全拥有自主知识产权的柔性直流输电工程。此外,国家电网公司“十二五”期间还规划了大连跨海柔性直流输电重大科技示范工程,该工程也同样采用MMC拓扑结构,但与上海南汇柔性直流输电工程相比,其额定电压等级和输送功率均有大幅度提高。当MMC柔性直流换流阀系统从低电压、小容量发展到高电压、大容量时,每个桥臂上串联的子模块数随之增多,整个换流阀的控制系统将更加复杂,动态行为也更加多样,这将带来一系列新的技术难题。

自MMC拓扑提出之日起,各研究机构纷纷对MMC-HVDC展开了相关研究。文献[1-5]对MMC的基本原理、运行模式、技术优势和工程应用等进行了阐述。文献[6-9]将空间矢量调制(SVM)技术运用于MMC的调制,但该技术不适用于电平数较多的场合。文献[10-11]提出的特定次谐波消去法需要求解超越方程组,计算量大,不适用于在线计算。文献[12]提出了多电平脉宽调制(PWM)技术,当电平数较多时,MMC的控制变得非常复杂。文献[13-14]提出的最近电平逼近调制(NLC)策略原理简单,易于扩展,且通过排序算法可以保证各子模块电容电压的均衡,非常适合于电压等级高、输送容量大、子模块数多的柔性直流输电工程。

由于各子模块电容器的分布式布置及其能量分配的不均衡,MMC换流器内部存在一定的环流,文献[15]阐述了MMC内部环流的产生机理。在文献[15]的基础上,文献[16]设计了二倍频环流抑制器,可以减小桥臂电流的畸变程度,但该控制器需要进行二倍频负序旋转坐标变换,将三相时变环流耦合到一起,且需要额外引入比例—积分(PI)调节器和电压前馈量,实现对上、下桥臂电压参考值的控制,控制较为复杂。

为了在抑制二次谐波环流的同时,实现对MMC-HVDC换流器三相控制系统的解耦,进而降低控制系统的复杂程度,本文提出了MMC-HVDC三相解耦二次谐波环流抑制算法,该算法不需要对三相环流进行二倍频负序旋转坐标变换,也不需要引入PI调节器,直接利用瞬时功率平衡关系推导出三相上、下桥臂子模块电容电压参考值的表达式,进而通过NLC策略和排序算法控制子模块的投入与切除,使得各子模块电容电压的不均衡程度降低,二次谐波环流得到有效抑制。

1 二次谐波环流抑制算法

MMC-HVDC三相拓扑结构如图1所示,每个桥臂由N个子模块和1个电抗器串联而成。图中:IGBT表示绝缘栅双极型晶体管。由于各子模块电容器的分布式布置及其能量分配的不均衡,MMC换流器内部存在一定的环流,文献[15]指出,MMC内部环流是由各相上、下桥臂电压之和彼此不一致引起的,且此环流为二倍频负序性质,它在MMC三相桥臂间流动,对外部交流系统不产生影响,每相环流叠加在该相的直流电流上,共同流经同一相的上、下两个桥臂。

MMC-HVDC换流器内的三相环流示意图如图2所示。

文献[16]提到的二倍频环流抑制器需要进行二倍频负序旋转坐标变换,将三相时变环流耦合到一起,控制系统较复杂。本文提出的三相解耦二次谐波环流抑制算法从换流器交、直流侧瞬时功率平衡的角度出发,计算出各相上、下桥臂所有电容器组的能量参考值,进而求得各相上、下桥臂每个电容器的电压参考值;然后将各相上、下桥臂调制波电压除以对应电容器的电压参考值,便可求得各个桥臂应投入的子模块数;最后根据排序算法选择投入相应的子模块,完成整个换流器的控制。该算法可以很好地抑制各相二次谐波环流,且三相控制系统解耦,便于对换流器各个相单元实现独立控制。

以图2中a相为例,Udc为直流母线间电压;iau和ial分别为上、下桥臂电流;Cau和Cal分别为上、下桥臂电容器组的等效电容;uau和ual分别为上、下桥臂电容器组两端的电压;ua和ia分别为负载电压、电流,在单个桥臂中,无论子模块处于投入还是切除状态,且不管桥臂电流方向如何,该子模块内都有一个电力电子器件处于导通状态串联在桥臂中,电力电子器件导通时可以等效为阻值很低的电阻,无论电流方向如何,假设这些通态等效电阻相同,则串联于桥臂中所有通态电力电子器件的电阻之和不变,计及桥臂电抗器内阻,图2中R为串联于桥臂中所有通态电力电子器件的电阻及桥臂电抗器内阻之和,L为桥臂电抗器的电感,icir和ucir分别为流经a相的环流及其在桥臂等效电阻和电抗器上的电压。

在NLC中,一般设交流系统的输出电压和电流参考值分别为:

式中:Um和Im分别为交流系统参考相电压、线电流的峰值;φ为交流系统负载的功率因数角;p为电压调制比,p=2Um/Udc。

在图2中,根据基尔霍夫电压、电流定律可得:

文献[15]研究表明,环流电流icir主要由直流分量和二次谐波分量组成,ucir与icir满足如下关系:

为抑制icir中的二次谐波分量,在本文算法中,假设icir中只含有直流分量,即icir=Ic,此时,式(7)简化为:

上、下桥臂电容器组的瞬时功率分别为:

将式(8)代入式(3)和式(4),并将式(3)和式(5)代入式(9),将式(4)和式(6)代入式(10),可得:

式中:D=UdcIc/2-RIc2-(pUdcImcosφ)/8,表示考虑换流器内部损耗时功率从直流侧到交流侧的传递过程。

根据换流器交直流侧功率平衡关系,可得D=0,由此可解得:

对式(11)和式(12)积分可得上、下桥臂电容器组的能量参考值为:

式中:Wrau和Wral分别为三相解耦二次谐波环流抑制算法中上、下桥臂所有电容器组的能量参考值;Wrau0和Wral0为积分常数,分别表示传统NLC中上、下桥臂所有电容器组的能量参考值;Cmodule为子模块的电容值;Uref为传统NLC中子模块电容电压的参考值。

求得Wrau和Wral后,根据可分别求出上、下桥臂子模块电容电压的参考值,其中,Carm=Cmodule/N。本文算法中三相控制系统相对独立,采用同样的思路可推导得出其余两相上、下桥臂子模块电容电压的参考值,文中不再赘述。

传统的NLC[13]框图如图3(a)所示,图中上、下桥臂子模块电容电压的参考值Uref恒定不变,上、下桥臂的调制波电压分别除以Uref,然后将商取整,便可求得上、下桥臂分别应投入的子模块数Nu和Nl。在本文算法中,通过交直流侧功率平衡关系计算得出的子模块电容电压参考值在传统的参考值附近呈周期性波动,同时,上、下桥臂的调制波电压中减去了Ic在桥臂等效电阻上的压降ucir,电容电压的不平衡程度降低,二次谐波环流得到有效的抑制,该环流抑制算法的流程图如图3(b)所示,本文所提算法仅在传统NLC调制策略的基础上增加了桥臂电容电压参考值计算单元,与文献[16]相比,该算法不涉及坐标变换和PI调节,控制相对简单。

2 仿真验证

为了验证三相解耦二次谐波环流抑制算法的有效性,在PSCAD/EMTDC环境下搭建了每个桥臂10个子模块的MMC单端逆变器仿真模型,仿真时直流母线电压恒定,交流侧为无源负载,系统仿真参数列于附录A表A1。在该仿真模型中,假设电力电子器件导通时等效电阻均为0.01Ω,忽略阀电抗器内阻,由于桥臂中共有10个子模块,则根据第1节的说明,桥臂等效电阻为0.1Ω。仿真时,0.3s前按传统的NLC策略对MMC进行调制,0.3s后启动三相解耦二次谐波环流抑制算法,所得到的仿真结果如图4所示,采用三相解耦二次谐波环流抑制算法前后各参数的变化情况见附录A表A2。为了说明该算法的通用性,当子模块电容值取12mF时各参数的变化情况也同样列于附录A表A2。

由图4(a)可以看出:0.3s前,上、下桥臂子模块电容电压参考值恒定不变;0.3s后,子模块电容电压参考值在一个工频周期内围绕1.816 5kV呈周期性变化,这是三相解耦二次谐波环流抑制算法的关键。由图4(b)可以看出:0.3s前,电容电压的波动百分比为-13.02%~12.85%;0.3s后,电容电压的波动百分比为-7.51%~6.25%。由此可见,与传统的NLC策略相比,三相解耦二次谐波环流抑制算法使电容电压波动百分比明显下降。采用三相解耦二次谐波环流抑制算法后,交流母线线电压、线电流的有效值得到显著提高,三相解耦二次谐波环流抑制算法使交流系统的电压、电流波形得到了明显的改善。由图4(c)可以看出:桥臂环流主要由直流电流和二次谐波电流叠加而成,0.3s前,桥臂电流中含有显著的二次谐波分量;0.3s后,经过短暂的过渡过程,桥臂电流非常接近正弦波,环流的峰峰值变为原来的7.3%,可见本文所提算法对二次谐波环流的抑制效果非常明显。

3 计及电容器容值差异时子模块投入运行时间分析

理想情况下,子模块电容值完全相同,而在工程应用中,电容值大小有一定的差异,因此,各个子模块投入运行的时间差别比较明显,本文研究了电容器容值差异对子模块投入运行时间的影响,以及当电容器参数不一致时,二次谐波环流抑制算法对每个子模块投入运行时间的影响。仿真时,电容器参数的设计值为8mF,假设桥臂中10个电容器的电容值从上到下依次为:8.4 mF,7.8 mF,8.0mF,8.1mF,7.6mF,8.2mF,7.7mF,7.9mF,8.3mF,8.0mF,对各子模块投入运行时间的统计情况如图5所示,仿真运行时间为1s。

图5的10组条形分别表示10个子模块的投入运行时间情况。当子模块电容值均为8mF且不采用环流抑制算法时,各个子模块的投入运行时间基本相同,约为0.55s。当各个子模块的电容值存在差异时,如果没有采用三相解耦二次谐波环流抑制算法,从整体来看,电容值较小的电容器投入运行的时间较短,电容值较大的电容器投入运行的时间较长(运行时间最长的为第10个子模块,其运行时间为0.560 9s;运行时间最短的为第5个子模块,其运行时间为0.527 4s)。当各个子模块的电容值存在差异时,采用二次谐波环流抑制算法后,由电容值差异造成的各子模块投入运行时间的差别变大,电容值较小的电容器投入运行时间更短,电容值较大的电容器投入运行时间更长(运行时间最长的为第4个子模块,其运行时间为0.567 5s;运行时间最短的仍然为第5个子模块,其运行时间为0.517 6s)。这样,二次谐波环流抑制算法能使电容值较小的电容器投入运行的时间变短,使电容值较小的电容器得到有效的保护。

当MMC正常运行时,电容电压值围绕某一平均值波动,依据电容电压排序原理,无论桥臂电流方向如何,电容电压在平均值附近波动较小的子模块,投入运行时间较长。分析图5可知,由于各子模块电容值存在差异,与电容值较大的电容器相比,电容值较小的电容器电压波动幅度较大,其投入运行时间也较短。采用三相解耦二次谐波环流抑制算法后,由图4(b)可以看出,电容电压波动幅度降低,但与电容值较大的电容器相比,电容值较小的电容器电压波动幅度仍较大,依据电容电压排序原理,其投入运行时间进一步减少,因此,二次谐波环流抑制算法可以使电容值较小的电容器得到有效的保护。

4 结语

以往的MMC环流抑制器需要进行二倍频负序旋转坐标变换,将三相时变环流耦合到一起,且需要额外引入PI调节器,控制较为复杂,为了解决这一问题,本文提出了三相解耦二次谐波环流抑制算法。

仿真结果证明,本文所提出的环流抑制算法能有效抑制二次谐波环流,减小桥臂电流的畸变程度,降低对开关器件额定电流的要求,提高交流系统线电压、线电流的有效值,减小线电压、线电流的谐波总畸变率,该环流抑制算法还能减少电容电压的波动幅度,减小子模块电容参数的设计值,当电容器容值存在差异时,该算法能减少电容值较小模块投入运行的时间,延长其寿命。

摘要：随着模块化多电平换流器(MMC)高压直流输电工程电压等级和输送容量的大幅提升,其拓扑结构中的桥臂串联子模块数急剧增加,使得整个换流阀的控制系统更加复杂,子模块电容电压均衡及二次谐波环流抑制等技术问题将更加突出。如果采用传统的最近电平逼近调制(NLC)策略对换流器进行控制,MMC内部存在明显的二次谐波环流。为了抑制二次谐波环流,假设环流中只含有直流分量,根据换流器交、直流侧瞬时功率平衡,推导出直流环流电流的计算公式,进而分别求得上、下桥臂子模块电容电压的参考值,该参考值在一个工频周期内围绕某一恒定值呈周期性变化,可使得各子模块电容电压的不均衡程度明显降低,二次谐波环流得到有效抑制。与传统的NLC策略相比,文中算法可以降低子模块电容电压的波动幅度,改善交流侧输出电压、电流的波形。当电容器容值存在差异时,文中算法还可以减小容值较小的电容器投入运行的时间,延长其寿命。最后,仿真结果验证了文中算法的有效性。

电力电子技术与谐波抑制 第2篇

电力电子技术在电力系统中的应用不仅能够提高系统的输电能力，而且还可以在降低系统能耗的同时，改善输电质量，提高电力输送的灵活性和稳定性。

但在电力电子技术得以应用的同时，其相关设备也成为了电力系统运行当中的谐波源，并在运行过程中对系统的无功功率进行消耗，从而对电力系统的正常运行产生严重影响。

因此，加强对谐波问题和无功功率损耗问题解决方法的研究力度，已成为电力生产、输送领域需要面对和解决的主要问题。

1 配电系统中谐波与无功功率概述

对配电系统中的水泵异步电机和荧光灯与支撑计算机系统运行等负载进行分析可知，其必须消耗系统产生的无功功率方能实现正常工作。

但变频器、整流器等电力电子装置通常采用的是相控方式工作的，这种控制方式使得此类设备的交流侧电压常滞后于系统运行电压，其不仅会消耗大量的无功功率，而且在运行的同时还会产生谐波电流，从而影响电力系统的正常运行。

给出有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者的关系式：

S2=P2+Q2 (1)

其中，P为系统瞬时功率在单位周波中积分得平均值，即系统交流平均功率，S为各类电器设备的最大可利用容量，具体来说就是电压U和电流I的有效值乘积，分别由设备的绝缘性和导线横截面积决定;Q表示具备储能性质的电气元件功率交换的幅度，通常单相电路功率互换大都发生在储能设备和电源中，而三相电路功率互换则以在具有储能性质的三相设备中的往复流动为主，需要说明的是任意时刻内，三相无功功率的和恒定为零。

2 无功功率和谐波对电力系统的影响

2.1 无功功率对电力系统的影响

(1)无功功率的加将会使得供电设备的视在功率S增加，同时，也会引发启动设备、控制设备和仪表等测量设备的尺寸与规格扩增;

(2)无功功率的增加必将使得电力系统设备与线路损耗更加严重，缩短电气设备寿命;

(3)无功功率增加将会引发变压器与线路压降的扩大，从而使电网电压产生剧烈波动，影响电力系统的稳定性。

2.2 谐波的主要危害

(1)变频器和整流器等所产生的谐波将引起电气设备附加谐波的损耗，同时，使得供配电设备的工作效率下降;

(2)谐波对各类电气设备的影响也较为严重，例如，引起系统的过电流和过电压，从而增加变压器的负担，引发电缆过热和绝缘装置老化;

(3)谐波的另一危害体现在对公用电网的影响上，由于电网中的电流大都是以正弦的形式存在的，而谐波的产生会导致非正弦电流电路的功率因数增加，从而在电场中产生非正弦电流，导致公用电网的局部谐波被进一步放大，甚至将会导致串、并联谐振，增加电力设备的安全风险。

3 电子电力技术的应用现状

由于电子电力技术在无功功率补偿和谐波抑制方面具有较为鲜明的作用，故对电子电力技术的应用情况进行了解是极为必要的。

3.1 高压直流输电技术――HVDC

此项技术对容量较大且距离较远的电力传输工作而言具有较强的优越性。

由于在输电过程中，基于HVDC技术输电时产生的电能损耗要远低于以传统交流输电技术为主所产生的电能损耗，且HVDC在支持电力传输时所需的传输线缆更少，在减少占地的同时，也省去了传统交直流输电转化所需的特殊设备，故而在远距离传输时具备良好的经济性。

现阶段，全球HVDC工程拥有50余个，技术支持的总设备容量达到了3.6×104MW，考虑到我国的地域辽阔且能源分布不均等情况，加大对HCDC技术的研发和投入力度极为必要。

3.2 静止无功补偿器――SVC

将以晶闸管为基础元件的固态开关取代原有的机械开关，通过对抗电器与电容器进行控制，从而实现快速且频繁地对输电系统导纳功能进行改变的目的。

通常，SVC由固定或可变电容器支路同系统中的可控支路并联组成，分为TCR、TCT以及TSC和SSR四种类型，其中，TCR型SVC的反应速度最快，可达5-20ms，且不仅运行可靠，而且在分相调节和价格与使用范围方面也具有较大的优势。

目前，全球已拥有220余套配置SVC的输配电系统，总容量已达到3.5×104var，随着SVR优势的进一步普及，其在输配电领域和工业用电方面必将得到全面的发展和推广。

4 无功功率补偿与谐波抑制现状

电力系统中的无功功率补偿方法主要包括了同步发电机、调相机、电动机的引用补偿和并联电容器与SVC补偿，由于多数工程供电系统中，阻感性负载占据绝大部分，使得总等效负载呈现感性，故而可采用并联电容器的方式对无功功率进行补偿，从而提高功率因数。

根据电容器在系统中安装位置的差异，其并联补偿方式主要包括以下几种：

(1)将电容器组集中安置在电源母线上，从整体上提高变电装置的功率因数，降低馈出线路的无功损耗。

(2)分区补偿。

在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组，以此来增强无功功率补偿的效果，但缺点是同集中补偿相比，分区补偿的范围有所减小。

(3)就地补偿。

对异步电动机等感性设备进行功率补偿时，将电容器组安置在负载设备周边进行无功补偿，在提高用电设备在供电回路功率因数的同时，改善用电设备的电压质量。

供电系统谐波抑制的方式主要有两种，一种是利用无缘LC滤波器或是有源电力滤波器对系统运行过程中所产生的谐波进行过滤;另一种是对谐波源进行改造，例如将变流器的相数提高或更换具有较高功率因数的整流器等。

其中，LC无源滤波器抑制谐波的方法较为常见，采用电力电容器以及电抗器电阻对具备某一特征的次谐波进行抑制，在次谐波频率下滤波器的逐鹿进行串联谐振，同时，写成具有较低阻抗的通路，从而使次谐波电流尽可能少地流入到电网当中，最大限度地降低谐波对电网的影响。

5 结论

本文通过对配电系统中的谐波和无功功率产生的原因进行分析，在结合无功功率以及谐波对电力系统影响的基础上，从电子电力技术应用现状的角度出发，提出了无功功率补偿和谐波抑制的相关方法。

可见，未来加强对电子电力技术以及无功功率补偿与谐波抑制方法的研究和应用力度，对于促进电力产业的健康、稳定发展具有重要的现实意义。

参考文献

[1]李志远.无功补偿装置SVG技术研究及应用[J].科技风，，10(12)：70.

[2]张生龙.浅谈电力系统中无功补偿的重要性和其主要方式[J].科技创新导报，2014，02(23)：76-77.

抑制谐波畸变的措施分析 第3篇

关键词：谐波继电器保护

1谐波的产生

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

1.1高次谐波的产生随着工业技术的迅猛发展，电力系统中的非线性负荷明显增多，因而高次谐波的危害问题也日益突出，其中包括：①各种阀型换流设备(如电气化铁道机车)。西北某地几个带有牵引负荷出线的变电站，进行了谐波分量及负序分量的现场测试，结果表明安康电网由电气机车负荷产生的三、五次谐波电流含量超标。②耗用电弧能的设备(电弧炼钢炉和电焊设备等)。⑨铁磁性设备(电力变压器、电抗器等)。④其它(电解设备和某些家用电器等)。

1.2高次谐波的主要危害①加强绝缘劣化，缩短电气设备寿命。②增加维修工作量。③增多电网损耗。④产生干扰使保护及自动装置误动。⑤使计量器件产生误差。⑥对无线电通讯系统造成干扰。

2谐波的影响

2.1继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件

使得继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件可以列出以下七条，其中第1和第2条之一是必须具备的。①在电气距离上接近大的谐波源。②安装地点存在谐波严重放大或接近谐波谐振条件。③装置的动作整定值很小，例如接在差动电路、零序电路或负序电路上。④装置的元件或动作原理对谐波敏感，例如采用晶体管继电器、半波比相判断的方式、依靠检出过零点等等。⑤谐波损伤了装置的某个部分，例如使动作接点粘连，导致误动。⑥安装地点的短路容量太小，例如在海上油井平台上、自备机组成孤立网运行等。⑦尚有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生。

2.2高次谐波对各种类型继电保护的影响：

2.2.1谐波对电磁继电器的影响①DL-11型电流继电器是常用的电流保护元件，在不同频率下其动作是反映通入电流有效值的平方，经试验，在不同频率下DL-11电流继电器，动作电流时误差很小。显然，当继电器的电流含有谐波时，按基波整定的电磁型继电器在谐波作用下也能启动。②电磁型电压继电器的动作还与流过其线圈的电流有效值平方成比例。线圈匝数很多，阻抗分量很大，其阻抗看作为R+jωL。因对不同频率而言，ωL也不同，高次谐波使动作值增大的原因是线圈阻抗增大。当含有谐波的电压接入继电器时，动作值误差一般为正误差，低压继电器这时很容易动作。电磁型继电器的动作速度较慢，对定值误差也要求不高，在谐波含量小于10％时，谐波对其影响不太大。但是，在谐波含量很大并且各次谐波衰减又较慢的场合，电磁型继电器误动也会造成大的系统事故。

2.2.2谐波对整流型继电器的影响整流型距离保护装置(如LH-21型)的振荡闭锁经常动作，产生这些现象的原因是利用负序滤波器将三相电流转变为单相电流(正比于负序电流)，该滤序器由接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器构成。当系统电流中含有谐波，并且三相谐波并不相等也不对称时，负序滤波器就有很大的谐波输出，加之裂相回路对谐波的进一步放大作用，使整流出的直流脉动很大，因而使保护误启动。

2.2.3谐波对计算机产生影响的可能途径有二：①电源供给系统；②计算机的模拟量输入回路。

当模拟量的输入回路含有谐波时，将影响计算机的正常工作，所以在测量和控制用的计算机系统均毫无例外地在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器，以抑制谐波，增加有用信号与干扰信号之比。

2.2.4谐波对距离保护的影响距离保护装置中的测距元件，通常按线路的基波阻抗整定。在故障情况下，当有谐波电流时(特别是三次谐波)，所测的阻抗相对于基波阻抗值可能会有相当大的误差。因而当故障电流流经高阻性的阻抗接地时，接地阻抗将是主要的。如果电流中谐波分量较大，应采取滤波措施，否则造成继电器误动的可能性很大。通过试验，谐波含量在5％以下，则谐波对继电器的影响不大。

2.2.5谐波会引起故障录波器误启动、频率仪测试不准，准同期装置合闸误差角超过允许值等自动装置的误动。

3抑制谐波畸变的措施分析

评价保护继电器性能时通常使用三个指标：灵敏度、选择性、速动性。导致这些性能恶化的主要原因之一，就是输入电流和电压的波形产生畸变。

3.1继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施

3.1.1采用按基波动作的回路。采用滤波器是将直流分量和高次谐波分量滤掉，剩下的基波分量在检测回路里进行检测。①使用共振型电流互感器的带通滤波器。②使用运算放大器的带通滤波器，由于它具有体积小和精确度高的优点，现在已广泛使用。

3.1.2 使用限时回路。

3.1.3 检测畸变波形的正负非对称性。

3.2 谐波的运用

3.2.1 变压器差动保护利用二次谐波。变压器励涌流中的高次谐波成分很大，并以二次谐波为主。所以开发了具有利用二次谐波制动的变压器差动继电器，二次谐波越大，继电器的制动特性越强，故可防止励磁涌流引起的误动作。

3.2.2利用三次谐波电压构成100％定子接地保护。利用三次谐波电势构成的定子接地保护，用以消除基波零序电压元件保护不到的死区。

4微机保护采用抑制谐波的措施

微机保护借助硬件(有源滤波器)和软件(数字滤波器)，清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据，可进行高精度的各种保护运算。

数字滤波用软件实现，因此不受外界环境(如温度)的影响，可靠性高，具有高度的规范性。它不像模拟滤波器那样会因元件的差异而影响滤波效果，也不存在元件老化和负载阻抗匹配问题。另外，数字滤波器还具有高度的灵活性，当需要改变滤波器的性能时，只需重新编程即可。

4.1微机保护的基本构成微机保护从系统引入电流和电压二次，借助内装的中间变换器，将它们转换为适合于用电子回路进行处理的大小，接着用滤波器使输入电流和电压里的谐波分量和直流分量衰减，再在模数转换部分进行模／数转换。然后在数字运算处理部分用数字化的数据进行保护运算，最后向外部输出信号。

4.2数字信号的处理系统先把模拟信号变换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。

5小结

抑制谐波的真实物理意义是将谐波具有的能量尽可能的用一个装置吸收，不让谐波进入系统或只有很少量的进入系统。最好在谐波源就地安装滤波装置，以减少谐波对电网的影响。

电网中应合理利用各站的补偿电容器组，采取适当串联5％～6％电抗器，选择重要变电站进行安装相控电抗型动态无功补偿装置(简称SVC)，改善供电系统的稳定性，抑制系统过电压和改善其动态特性，抑制谐波、提高负荷的功率因素，快速无功调节，抑制电压闪变，解决电网负荷不对称等问题。

二次谐波抑制 第4篇

关键词：谐波,危害,滤波器

0 引言

随着非线性电力设备的广阔使用, 谐波问题在电力体系中愈来愈严重, 谐波不但把输配电与用户电力设备的正常应用影响了, 还导致了用户增加无功功率电费的支出, 并且也出现了对其它设备元件的危害。

1 谐波的产生

(1) 谐波产生的原因分析。因为电源自身电动势的偏移与非线性负载造成的是谐波产生的根本原因。当流经负载的电流时, 电压和所加的不呈线性关系, 电流就变化成非正弦, 这样谐波就产生了。基波式分量为I/T的频率, 整倍数的基波频率是谐波频率, 依据傅立叶解析道理分析, 全部重复的波形能够分解为内藏有基波频率以及一连串的基波倍数的谐波正弦波分量。谐波能够分开为偶次和奇次性, 奇次谐波的编号为第3、5、7次, 而为偶次谐波的是2、4, 6、8等, 如为50Hz时的基波, 为100HZ的2次谐波, 谐波150Hz则是3次。在三相系统平衡中, 谐波由于是对称性关系, 谐波已经没有了偶次, 谐波只有奇次。对于整流负载的三相, 6n±1次谐波是出现的谐波电流, 像5、7, 11、13、17、19等。 (2) 产生谐波源的主要设备。在日常生产活动中产生谐波的主要设备有:变速传动传动装置如变频器、晶闸管控制设备、固定式换流器如UPS、电弧炉、中频炉电影、电弧机、大型建筑物的照明设备、饱和电抗器等。

2 由谐波所引起的危害

(1) 危害电力电网的因素:进入电网的谐波电流后, 引发电网的电压变形, 让电能质量变差与挥霍电网的容量。 (2) 危害电力电容器的因素:在电容器基波电压上重叠的谐波电压, 不但把电容器运行电压的有效值增加了, 还也许大大的增加峰值电压, 造成电容器在运作中产生的部分放电不能熄灭, 而这一般是电容器损坏的一个非常主要的因素。当非正弦的是电容器的端电压时, 电容器介质中出现的附加有功损耗就是出现的额外发热, 电容器的运行温度让这些热量升高了。当畸变的电压波形时, 在介质中诱导出现部分放电的是尖顶电压波, 加上电压的有比较大的变化率, 部分放电就有很大的强度, 绝缘介质的老化速度就更加加剧了, 降低了电容器的运用时间也, 间接大大的缩短了电动机、变压器等电力设备的运用寿命, 供电的可靠性降低了, 很容易给生产经过导致严重后果。 (3) 危害电力变压器的原因:在供电变压器三相四线中, 谐波代数叠加的是三次整数倍的, 变压器感应到一次侧, 造成线圈太热, 同时让中线电流太大, 发热, 甚至烧坏。在电机运行经过中, 让交流电压波形严重失真的是谐波, 电机烧坏。变压器的铁耗还让谐波还加大了, 铁心中的磁滞损耗增加是这主要的体现, 谐波让电压的波形变得非常的差, 磁滞损耗就更大。 (4) 危害弱电体系设备的因素:经过磁场耦合的是电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流, 不但在相邻电力线的通信线路中会出现干扰电压, 干扰通信体系的工作, 通信线路通话的清楚度被影响了, 并且在谐波与基波的一起功能下, 电话铃响会触发, 甚至在一些严重的状况下, 还会威胁通信设备和人员的安全。

3 怎样抑制谐波

3.1 谐波的波源减少

(1) 经过把整流器脉动数增加, 因为在电路中整流器广泛使用, 它也是谐波关键来源之一, n=Kp±1是它的特点频谱, 所以便能知正比关系的是p与n, 一个加大另外的一个也会跟着加大。而In≈I1/n, 因此会减少谐波电流, 也就把谐波减少了。 (2) 使用脉宽调制办法。运用PWM, 在频率所设定的周期内, 把电流电压调成等幅但不等宽的一连串交流输出电压脉冲这样来达到抑制谐波。 (3) 连线方式在三相整流变压器处使用Y-d (Y/△) 或运用D、Y (△/Y) 。能够有效清除三的倍数次谐波, 这也是最常运用抑制谐波的方法。想要加大体系里的短路容量就要运用上面的办法, 有效的把供电电压等级提升, 并变流装置增加脉动数, 同时三相负荷平衡尽量保持, 避免每一类电磁体系饱和, 避让体系谐振点。

3.2 经过在谐波源处吸收谐波

在谐波源处吸收谐波电流运用电力滤波设备, 是能够有效抑制谐波。这装置又分为有源滤波器与无源滤波器2种。关键安装在设备交流侧的是无源滤波器, 像LC回路频率和电路中谐波电流频率一样时, 就可以防止流入电网。所以, 有效抑制谐波与完善波形主动办法的是设置交流滤波器, 同时滤波器还可以向体系提供所需的局部或所有无功。

整流器、逆变器等非线性负荷, 由于其自身能够表示为出现高次谐波电流的恒流源, 故能用图1来表示高次谐波的等效电路。

流向电网的谐波电流IS与母线的谐波电压VB能表示为:

式中:注入电网的谐波电流的是IS;

谐波电流为In;

谐波电压为VB;

电网阻抗为ZS;

电网负载阻抗为ZL。

这式说明, 当电网阻抗 (ZS) 必然时, 体系负载阻抗 (ZL) 相对减小, 就能够把流向电网的谐波电流与母线的谐波电压 (电压畸变) 减小。

4 结语

中国深入开展的电能质量治理工作, 谐波污染要消除, 使用有力的抑制谐波的办法, 把谐波侵入电网减小, 从而真正把因为谐波污染带来的巨大经济损失减少。有效解决谐波问题, 意味着国内电力建设有了全新跨越性进步, 是中国将来科技进步和电力发展的优秀开端。

参考文献

[1]郎文川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术, 2002 (06) .

电网谐波及其抑制措施 第5篇

一、谐波的产生原因

电力系统中的三相交流发电机发出的三相交流电压一般可认为是50 Hz的正弦波, 但由于系统中存在各种非线性元件, 致使系统和用户的线路内出现了谐波, 使电压或电流波形发生畸变。系统中产生谐波的非线性元件很多, 尤其以大型硅整流设备和大型电弧炉所产生的谐波最为突出, 严重影响系统的电能质量。

二、谐波的危害性

谐波对电气设备的危害极大, 具体来说, 当谐波电流通过变压器时, 变压器铁芯的损耗明显增加, 发热量激增, 致使铁芯使用寿命缩短;当谐波电流通过交流电动机时, 会使电动机转子发生震动, 增大电动机产生的噪声, 严重影响电动机的正常工作;当谐波电压加在电容器两极时, 由于电容器对谐波的阻抗很小, 电容器很容易发生过负荷甚至烧毁。此外, 谐波电流会使电力线路的电能损耗和电压损耗增加, 使计量电能的感应式电度表计量不准确, 特别是电子式电度表会被严重干扰, 无法正常工作, 甚至被烧毁;会使电力系统发生电压谐振, 使线路产生过电压, 有可能击穿线路设备的绝缘, 造成事故;还可能造成系统的继电保护和自动装置误动作, 对电力线路附近的通信线路和通信设备产生信号干扰。由此可见, 谐波的危害是十分严重的, 应高度重视。

三、谐波测量

谐波的危害是评价电能质量的一个重要指标, 有必要在电网日常运行中加以检测和监测。由于电网谐波问题的复杂性, 采用一定的理论计算, 很难准确反映电网的实际情况, 通常采用实测电网谐波的干扰来保证电网的安全运行和高质量供电。常用的谐波分析仪种类较多, 常见的有谐波检测报警仪、谐波频谱分析仪、电能质量综合分析仪。发达国家在研制和使用谐波分析仪方面较先进, 所生产的仪器功能齐全、测量范围广, 使用方便可靠, 价格较高, 如美国fluke电能质量分析仪、日产数字型电能分析仪。而国产仪器性能方面则较差, 数据采集方面也不太理想, 但价格较低。如国产dxj系列谐波检测仪、国产gxf系列谐波频谱分析仪等。

四、谐波抑制措施

谐波抑制措施常见的有3类:一是装设谐波补偿装置来补偿谐波。二是对电力电子装置本身进行改造, 减少其产生的谐波, 控制其功率因数为1。三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种。

1. 合理选用电力电子设备。

选用电力电子设备时, 尽量选脉动数较大或有一定移相角的换流变压器。12相脉冲整流THDv (电压畸变率) 为10%～15%, 18相脉冲整流的THDv为3%～8%, 缺点是需要专用变压器, 不利于设备的改造, 价格较高。

2. 合理改造电力电子装置。

在用户进线处加串联电抗器, 以增大和电气系统的电气距离, 减小谐波的相互影响;具有谐波互补性的装置应集中, 否则会分散或交错使用, 适当限制谐波量大的工作方式。当设备本体无法改造时, 可在谐波源附近安装有源电力滤波器来吸收谐波电流, 但补偿容量较小, 造价较高。

3. 保持电源三相平衡。

从电源电压、线路阻抗、负载特性等方面找出不平衡原因, 改善电源三相不平衡度;加装无功功率补偿装置, 抑制电压波动、闪变、三相不平衡;增大供电电源容量, 减小谐波含量。

4. 改进设备或装置性能, 提高用电设备的抗干扰能力。

信号线与动力线分开配线, 尽量使用双绞线降低共模干扰。在通讯电子控制系统中, 编制的软件可适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波, 以增强系统自身的抗干扰能力。

5. 安装电力滤波器。

无源电力滤波器无功补偿效果良好, 适合于稳态谐波场所。有源电力滤波器动态性能好, 响应时间 (15μs) 短, 三相补偿谐波电流的功率损耗低 (小于设备额定功率的3%) , 适合于暂态谐波或谐波成分复杂、变化较快、随机性较强的场所。

五、应用实例

目前工厂普遍采用变频调速, 大多是6脉冲触发变频器, 5次谐波含量较高。以某厂1台980 kW/690 V三相异步电动机为例, 该电动机由西门子6脉冲变频器传动调速。可在变频器输入端并联安装1台诺基亚无源电力滤波器, 主要吸收变频器产生的5次谐波。投用前5次谐波畸变率为28.8%, 投用后变成1.7%, 补偿率超过90%, 基本可以消除系统的5次谐波干扰。无源滤波器结构中的电容器提高线路末端功率因数达到100%, 节约电能统计结果显示投入后比投入前月节电超过8 000 kW·h, 取得了良好的经济效益。

电网谐波危害与抑制 第6篇

随着科学技术的日益进步和电子技术的飞速发展, 非线性设备在各个领域中的应用越来越广, 由此产生的大量高次谐波电流注入电网, 引起电网电压正弦波形畸变, 使电能质量下降, 干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行, 造成了这些装置的误动与拒动, 影响发电、供电和用电设备安全经济运行。所谓非线性设备就是指在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生非正弦电压的设备。例如, 变压器、发电机、电机、电弧炉、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电视机、计算机、复印机、等用电负载大都是非线性负载, 都是谐波源, 如将这些谐波电流注入公用电网, 必然污染公用电网, 使公用电网电源的波形畸变, 增加谐波成份。

1 谐波的产生

谐波是一个周期电气量中频率为大于1整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率, 人们就把谐波也称为高次谐波。

通常谐波源可以被分为以下三类:

(1) 饱和设备, 如发电机、变压器和电动机等。

(2) 电弧装置, 如电弧炉、荧光灯等。

(3) 电力电子装置, 如变速传动装置、不间断电源、整流器、逆变器、开关电源和晶闸管控制系统等。

电力变压器作为谐波源, 源于电力变压器使用的磁性材料通常运行在接近非线性或者可以说就在非线性区域。在此种情况下, 即使所加的电压是正弦的, 变压器的励磁电流也是非正弦的, 因此包含谐波, 而且主要是3次谐波。在我们通常使用的荧光灯中, 每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮, 点亮状态下荧光灯呈负电阻特性, 其电流由感性的非线性镇流器来限制, 因此电流是畸变的。静止无功补偿装置 (简称SVC) 是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力的装置。由静电电容器和晶闸管等部件组合而成。静止无功补偿器是一种平衡的三相设备, 它用晶闸管控制并联电容器或并联电抗器每半个周波中的导通时间, 以便将终端电压维持在一个给定值。因此, 它会产生非正弦的斩波电流。

2 谐波的危害

向电网注入高次谐波电流是电力电子装置以及其它非线性设备在使用过程中造成的重要危害, 其危害范围涉及到工矿企业电网的各个部分, 并通过电力系统影响到其它用电部门, 谐波电流及电网电压畸变的危害可以概括为以下几个方面:

(1) 电容器组、变压器和电动机的发热和故障。电容器的电抗随着频率的升高而减小, 这使得电容器成为谐波的吸收点, 致使电容器由于谐波电流而过载。同时, 谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝熔断。谐波对变压器和旋转电机的影响主要是引起附加损耗和过热, 其次是产生机械振动、噪音和谐波过电压。这些将缩短电机的寿命, 情况严重时甚至会损坏电机。

(2) 发电机的铜耗和铁耗增加。谐波会增加设备的铜耗和铁耗导致发热, 在这种情况下降低了发电机的额定出力。

(3) 增加旋转电机的损耗。国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下, 电网中负序电压不超过额定电压的2%, 如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值, 则附加功耗明显增加。

(4) 增加输电线路功耗。如果电网中含有高次谐波电流, 那么, 高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线是电缆线路, 与架空线路相比, 电缆线路对地电容要大10~20倍, 而感抗仅为其1/3~1/2, 所以很容易形成谐波谐振, 造成绝缘击穿。

(5) 继电保护和自动装置的拒动或误动作。电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能, 引起误动作或拒绝动作。

(6) 测量仪表的不精确。有功和无功电度表是用于工矿企业所消耗的有功和无功电能的计量, 既要正确记录线性负荷所消耗的电能, 也要记录非线性负荷或者混合负荷所消耗的电能, 不论供电部门还是用电单位都非常关心这些计量仪表的准确性。这些计量装置都是按50Hz标准正弦波设计的, 当供电电压中有高次谐波或者负荷电流中有高次谐波时都会影响常用感应式电度表的正常工作, 通过感应式电度表的相对误差与频率的关系, 我们知道, 在不同的电压和电流相位差的情况下, 频率越高, 误差越大, 电流和电压之间的相位差越小, 误差越大。在非正弦电压和电流, 附加的总的频率误差与谐波电压、谐波电流以及它们之间的相位差有关系。

(7) 损坏电子设备。谐波干扰用户负载, 尤其是计算机系统, 谐波缩短白炽灯的使用寿命。

(8) 干扰通讯系统。谐波对通讯系统的干扰是一个在国际上都被十分重视的问题, 谐波干扰会引起通讯系统的噪音, 降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失, 在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响, 甚至还会发生危及设备和人身安全的事故。

3 谐波的抑制

谐波的干扰已成为当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”, 其危害虽然很大, 但还是可以抑制的。为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题, 在电力系统中抑制谐波的方法基本就是“限”和“制”两种, 所谓的“限”就是减少谐波源产生的谐波含量, 所谓的“制”就是在谐波源附近安装滤波器。

首先是减少谐波的技术, 主要有:

(1) 电力变流器中的相位抵消。

(2) 改变电容器组的安装位置或调整电容器组的无功出力。

(3) 三角形联结被用来隔断由发电机和变压器产生的谐波进入电力系统。

(4) 同步发电机中的短距线圈和分布绕组可以减小谐波。选择线圈节距以使节距系数在某次谐波下为零可以完全消除此次谐波。

其次是抑制谐波的技术, 谐波抑制的传统方法就是采用LC滤波器, LC滤波器也称为无源滤波器, 是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成、并调谐在某个特定谐波频率的滤波装置, 与谐波源并联, 除起到滤波的作用外, 又可以补偿无功功率, 而且结构简单, 所以在电力系统中一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响, 易和系统发生并联谐振, 导致谐波放大, 使LC滤波器过载甚至烧毁。此外, 它只能补偿固定频率的谐波, 补偿效果不好。

当前, 谐波抑制的发展趋势是采用有源电力滤波器, 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流, 由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性恰好相反的补偿电流, 从而使注入电网的电流只含有基波分量, 它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿, 其应用克服了LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法中的缺点。图1为并联型电力有源滤波器的基本拓扑结构。电力有源滤波器并联连接在负载上, 通过检测补偿对象的电压和电流, 经指令电流电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号。该信号经补偿电流发生电路放大, 得出补偿电流, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消, 最终得到预期的电源电流。

在有源滤波系统中, 电网输出的基波有功电流、无功电流以及高次谐波电流混合在一起。在此提出一种可适用于抑制任何频率的输电网中的谐波电流和补偿无功电流的方法。在检测方案中, 作者根据负载电流要求产生与有害电流分量大小相等、相位相反的电流, 即电源无功电流和高次谐波电流, 利用自适应信号预测功能对该电流进行检测, 并将产生的与检测到的相同电流注入到电网中, 实现对电网的实时电流补偿, 从而输出基波有功电流分量至负载。其检测方案原理图如图2所示:

(上接第132页) 谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商, 谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网, 正确选用用电设备, 生产符合国家标准的用电设备。随着电力电子技术及自动控制技术的发展, 针对电力系统谐波的危害, 致力于谐波治理的研究人员一定会加紧谐波抑制技术方面的研究工作, 而且不久的将来必定会取得快速的进展, 21世纪的电力系统将发展成为复杂、高度安全可靠、经济高效、高度可控的, 能为人类提供优质电能的现代化电力系统。S

参考文献

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[3]陆廷信.供电系统中的谐波分析测量与抑制[M].机械工业出版社, 1990.

[4]姜齐荣, 谢小荣, 陈建业.电力系统并联补偿:结构、原理、控制与应用[M].机械工业出版社, 2004.

整流器件的谐波抑制仿真 第7篇

关键词：谐波,有源滤波器,Matlab/Simulink

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展和电力电子装置的应用越来越广泛, 电磁环境受到严重的污染, 电网谐波污染问题成为一个非常严峻问题。此外电网中使用的异步电动机、变压器和电弧炉等负荷消耗大量的无功功率, 若得不到及时补偿将致使电网电压波动、供电设备容量增加、损耗增加。因此, 谐波补偿成为当前的一个非常严峻的问题。

谐波抑制的手段主要包括无源滤波和有源滤波。无源滤波器是由电容器和电抗器串联而组成的, 并且调谐在某种特定的谐波频率, 对它所调谐的谐波具有一个低阻抗作用;有源滤波器是产生与其所测得的畸变的谐波电流的相位相反的一组谐波电流, 谐波电流因此被抵消并且最终变成一个没有畸变的正弦波。本文中主要介绍并联型有源滤波器的原理, 并进行MATLAB仿真和分析。

1 并联有源滤波器的工作原理

系统的主要组成包括:指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。Is为电网提供的电流, il为负载电流, ic为有源滤波器的输出电流。基本原理为当需要对非线性负载所产生谐波电流进行补偿时, 由检测电路测量出补偿对象负载电流il中的谐波电流成分iLh, 将它相位相反后当作要补偿电流的指令信号, 因此由补偿电流发生电路产生的补偿电流ic和负载电流中的谐波信号iLh等大、反相, 补偿电流与电网中的谐波和无功电流相消, 因此电网的电流和负载的基波电流相等, 使的电源电流变为正弦波。

2 有源滤波器的Matlab仿真研究

2.1 谐波检测

谐波电流检测法有很多, 包含用模拟带通滤波器, 傅立叶变换谐波检测分析, 瞬时无功功率谐波检测等等。本文采用的办法是基于瞬时无功功率的谐波检测法, 其基本原理如图2所示。

图2中:

其中ia、ib、ic分别为谐波补偿之前a、b、c的三相电流, 输入电流ia、ib、ic通过C32坐标变换后使其再经过滤波器 (LPF) , 然后再经过一次C32反变换后就可以得到基波电流分量iaf、ibf、icf, 总电流减去基波电流就可以得出谐波电流。

2.2 电流跟踪控制电路

并联型有源电力滤波器发出的补偿电流应跟随指令信号的变化而实时变化, 这就使得补偿电流发生器应具备良好的实时性, 所以文中使用跟踪型PWM控制法, 文中PWM的产生使用滞环电流比较控制法。滞环控制是一个比较常见的电流跟踪控制方式, 它的硬件电路及其简单, 电流响应速度非常快。工作原理为:比较补偿电流的指令信号ic和实际的补偿电流ic, 二者的偏差当作滞环比较器的输入信号, 由滞环比较器产生出相应的脉冲信号, 它通过驱动电路控制主电路中的开关的通断情况, 进而操控补偿电流ic的变化情况。滞环比较器的原理如图3所示。

2.3 有源滤波器仿真模型的建立

根据前文论述和分析结果在Matlab7.0 Simulink环境中对有源滤波器进行了模型构建。此次建模采用基于瞬时无功功率的谐波电流检测法检测谐波电流, 逆变器触发脉冲由滞环比较装置产生, 有源滤波器直流侧电压由可控电压源控制。实时模拟器数字输出端产生六个瞬时脉冲, 逆变器利用这些脉冲产生所需的电流。

3 结果分析

利用Matlab/Simulink中的Powergui工具可以很方便地进行仿真研究, 提取基波分量和谐波波形, 并对波形进行FFT分析。选取整流电路电源侧A相电流原始波形图进行仿真研究。

从图4补偿前的A相电流波形可见, 因为负载是三相整流桥, 因此负载电流的波形发生非常严重的畸变, 其中5次、7次、11次、13次谐波的含量非常的大, 负载电流的总畸变率高达19.35%, 这对系统的影响是非常大的, 而投入有源滤波器后, 负载电流的波形基本变成正弦波, 负载电流的总畸变率也变为图5中的0.36%, 这说明滤波效果是非常明显的。

4 结束语

文中着重介绍了有源滤波器的原理, 并采用基于瞬时无功功率的谐波电流检测法, 精准地测量出谐波。文中采用Simulink下的电力系统模块Power Systems构建了谐波电流检测模型和并联型有源电力滤波器的仿真模型, 仿真的结果证明了理论分析的正确性, 表明了有源电力滤波器具备很好的补偿特性。

参考文献

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电力污染之谐波的抑制 第8篇

电力污染也叫电能污染。凡是一切供电和用电装置标准需求以外的电能都叫电能污染，亦称电能质量的好坏。这是一个相对概念，比如某一个电能质量参数，在某一个供电装置或用电装置上我们把它定义为标准需求以外的，即视为污染，影响电能质量的因素很多，有电压闪烁、三相不平衡、电磁场、电压突破与雷电流突波、电压骤降电压升与电力中断等等；其中电力谐波对电网是最直接、巨危害的电力污染之一。

电力谐波会使电网电能的生产、传输和利用效率降低；使电气设备产生噪音、缩短使用寿命、故障甚至烧毁；造成电能计量混乱；严重干扰通讯设备和电子设备信号。表1详细列出了电力谐波对相关电气设备造成的严重后果。

2 现象分析

对于为什么会产生谐波的问题，笔者认为，在诸多原因中，无功功率过于消耗是导致电力系统供电质量不稳定的主要因素。具体说：

1）工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。

2）电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

3）电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。

4）电力电子装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以一般不消耗基波无功功率；但当它产生大量的谐波电流时，也消耗一定的无功功率。

5）电力谐波本身也会消耗大量无功功率。

3 产生途径

这些具破坏性电力谐波源主要来自以下三种途径：

1）质量不高的发电电源

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

2）输配电系统的电力变压器

由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

3）用电设备产生的谐波

(1)晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置整流电路或二极整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多，已达到移相控制的效果，从电网吸收的是缺角的正弦波，给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

(2)变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

(3)电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2次、7次谐波，平均可达基波的8%、20%，最大可达45%。

(4)气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

(5)家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

(6)网络机房UPS设备。越是重要、越是容量大的数据机房，越是要求网络机房的电源必须有充分的供电保障。UPS设备就是给机房数据的备用电源，UPS之所以会产生谐波，那是因为其电路结构中，有整流电路作交直流转换所致。市场上主流的UPS为6脉冲整流的，其所产生的谐波电流为5次、7次、11次、13次，.....。依次类推，其产生的谐波电流阶次可代公式（Ih=kp+1,Ih=kp-1,其中，k为常数，p为脉冲数）。该设备在工作时存在大量的非线性负载,产生的谐波对电网的造成供电质量恶劣影响。

4 解决途径

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路是两个方面：一方面减少谐波源；另一方面是改善和抑制谐波。再有就是加强谐波监测。

4.1 减少谐波源

1）在供电方案设计上，要求使用带有的滤波装置的设备；例如网络数据机房的备用电源，采用“6脉冲整流UPS+无源滤波器”方式见图1。

大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9,电流谐波THD 5%，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法，即将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收，因此只能抑制固定的几次谐波，补偿固定的无功功率。针对无源滤波器的上述缺点人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。

传统6脉冲三进三出的UPS，主要为5次与7次谐波分量，根据某型号的UPS谐波实际测量数据见表2。

2)在电气设计和用户使用用电负荷时，应尽量做到三相平衡用电；

3)对现有的电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，当然这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

4.2 改善和抑制谐波

1)在用户端引入电网的节点处设置滤波装置和谐波切断装置。

2)增加无功功率补偿装置。进行无功补偿的优点是提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。

3)在用户端和电网设备上加设谐波补偿装置来补偿谐波；装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。例如，数据机房的UPS设备，就采用带输入校正功能的单相IT设备（谐波分量17%-28%）和带有隔离变压器的设备（谐波分量80%），它可以使电流谐波分量减小到5%以下。谐波改善如图2。

4.3 谐波监控和事故预防

通过安装先进的电力监控仪器，对可能产生谐波但尚未采取抑制措施的用户端设备进行监控，提前发现警情，做好事故的预控工作。谐波的前兆在整个配电系统都可以显示，而不一定非要在谐波源。例如：荧光灯照明系统的谐波可以回流到配电变压器中，甚至到达它的一次绕组中。这个变压器可能处于良好的工作状态，但还是遭到其它负载产生的谐波的毁坏。通过对设施简单的巡视，你可以很快收集到决定谐波失真位置和水平所需的数据。一个手持式谐波表，例如Fluke电力质量分析仪是测量非正弦信号的有效测量仪器。

1)中线电流偏高

许多商业建筑都有一个△-Y方式的208/120变压。这些变压器通常给插座供电。在带有单相非线性负载的三相四线制系统中，三次奇数倍谐波无法抵销，而是在中线导体相加。如果一个系统存在许多这样的负载，那么中线电流就会超过任何一相的电流，因为中线没有断路器保护，这将是非常危险的。

利用手持式示波表测量一个三相负载的中线电流，将测量到的中线电流与不平衡相电流估计的数值相比较。中线电流是三相电流的矢量和，并且当三相电流在幅度和相位都平衡的时候，中线电流通常为0A。如果中线电流比预计的要高，三次奇数倍谐波将是非常可能的原因，这时变压器将需要降载使用。

2)断路器的误动作

热磁断路器利用双金属开断机构，对电流波形的实际热效应产生响应。峰值感应断路器只是对电流波形的峰值产生反应，因此对于谐波电流不可能产生完全正确的反应。对于任何一断路器，如果所有负载的总和还不至于使断路器动作，那么谐波很可能是其动作的原因。

3)母线和接线板的过热

中线母线和接线板的尺寸是按相电流的额定值设计的，并不包括谐波引起的附加负载。当中线导体由于三次奇数倍谐波而过载时，它们也会过载。对于它们的过热现象，也可以怀疑是由上诉谐波造成的。

4)电气柜的振动

按50Hz设计的配电柜在高频谐波电流产生的磁场下会发生机械谐振。如果配电柜振动并发生嗡嗡的声音，很可能是由于在谐波频率下的谐振造成的。

通讯系统经常是提供谐波问题的首要线索。通讯电缆通常与中线导体并排敷设。中线导体中三次奇数倍谐波对通讯电缆产生的感应干扰，可以在电话线中听到。

5)变压器的不良表现

谐波可以引起变压器的芯损和铜损。变压器通常按50Hz的相电流负载设计。由于涡流和磁滞现象，高频率的谐波电流使芯损增加，与同样的基波电流相比产生更多的发热。当中线电流流到变压器时，会反应到三角形接法的一次绕组，并在这里循环导致过热和变压器毁坏。利用谐波表在一次侧和二次侧分别测量电流读数。通过谐波表的柱形图显示各次谐波的水平。数量显著的高次谐波引起的芯损应当给予重视。

通过观察电力系统谐波的谱图，可以了解谐波问题的实质，在这个显示中，5次和7次谐波占主导地位，这种情况有时发生在存在电机驱动的系统中。如果3次、9次和15次谐波占主导地位，将指示该系统存在一些单相的非线性负载。

6)感应电机的过热

感应电机是线性负载，如果由良好的正弦波电压供电，将不会产生谐波电流。但是如果一个电机由畸变电压供电，将会由于集肤效应和涡流而过热。并且如果一些谐波电流负序的一例如5次或11次谐波—它们将试图改变电机的旋转方向，由此降低了转矩和效率。

备用发电机会发生同变压器同样的过热问题。因为它们要给那些产生谐波的负载提供紧急供电，经常是更薄弱的地方。除了过热问题，某些谐波存在电流波形过零点产生畸变，还会引发对发电机控制回路的干扰和不稳定性。

7)从测量仪器中获得信息

如果系统中的电气负载大部分是非线性的，那么一台专业的谐波故障检测仪，将是非常有价值的工具。当存在谐波时，谐波失真总量的真实读数使你能够预测到谐波的短期和长期效应。一台手持式谐波故障检测仪还可以提供另外一个重要读数-K因数。K因数用一个数字表示，对于没有谐波的系统，K因数为1.0。高的K因数代表可以承受高的谐波水平。一台专业的谐波故障检测仪（见图3和图4），它与普通的测量工具相比有两个优点：(1)对于某个单独的读数，可以减少测量的次数和冗长的计算时间，特别是确定那些复杂、变化的数据-如K因素和谐波失真总量有显著的优点。(2)可以提供完整的谐波频谱，使有经验的工程师或技师能够迅速估计潜在的谐波源。

通过上述方式针对不同用电设施就可以在相当程度上改善供电系统的谐波污染，在提高电能质量上取得了较为理想的效果。

摘要：电力谐波会使电网电能的生产、传输和利用效率降低;使电气设备产生噪音、缩短使用寿命、故障甚至烧毁;造成电能计量混乱;严重干扰通讯设备和电子设备信号。文中对电力污染中谐波现象及危害进行陈述,分析产生谐波的主要原因,提出治理谐波问题的新思路。

关键词：电力污染,谐波源,治理

参考文献

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[6]王凌云,民用建筑配电系统中的谐波及其抑制[J].电世界,2000(7).

[7]工业与民用配电设计手册(第三版)[K].北京:中国电力出版社,2005.

电网谐波的危害与抑制措施 第9篇

关键词：谐波,危害,抑制,措施

1 概述

公用电网中的谐波 (即谐波电流和谐波电压) , 是对电网环境非常严重的污染。随着各种产生谐波的电力电子设备, 家用电器, 非线性及冲击性用电设备的不断增加, 构成了电力系统中电能质量的主要污染, 对电力系统造成不良影响, 甚至造成严重的危害。电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。

2 谐波的危害

谐波使电能生产、传输和利用的效率降低;使电气设备过热, 产生振动和噪声, 并使绝缘低;使电气设备过热, 产生振动和噪声, 并使绝缘老化, 使用寿命降低, 甚至发生故障或烧毁。危害主要表现在以下几个方面:

2.1 电力谐波对发电机、电动机的影响:

感应电动势中的高次谐波在同步电机气隙中磁性磁场沿电枢表面的分布一般呈平顶波形。利用傅里叶级数可将其分解为基波和一系列小波形。根据磁场波形的对称性, 谐波次数V=1、3、5、7。

由于谐波磁场也因转子旋转而形成旋转磁场, 其转速等于转子转速, 故谐波磁场在定子绕组中感应的高次谐波电动势频率FV=VFI。式中FI=PNL/60表示基波电动势频率。

高次谐波电动势的存在, 使发电机的电动势波形变坏, 而且发电机本身的杂散损耗增大, 温升增同, 串入电网的谐波电流还会干扰通信, 因此要尽可能地削弱谐波电动势, 以使发电机发出的电动势接近正弦波。

2.2 电力谐波对变压器的影响:

单相变压器的空载运行时, 当外施电压为正弦波时, 由于4=U, 故感应电动势, 主磁通也是正弦波。如果磁路饱和, 励磁电流将呈现尖顶波形, 其中除了基波外, 还含有较强的三次谐波。

我国配电变压器采用心式铁心结构, YYN0联接组。这种变压器的磁路是各项相互关联的, 对于三相基波磁通, 都能沿铁心闭合, 但对于三次谐波磁通, 三相同相位, 它们不能沿铁心闭合, 只有从铁轭处散发出去, 穿过一段间隙, 借道油箱壁而闭合。由于三次谐波磁通通过油箱壁或其它构件时, 将在这些构件中产生涡流损耗, 从而使变压器效率变低, 因此这种联接组的变压器容量不大于

1600VA。

2.3 电力谐波对电力电容器的影响:

含有电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波阻抗很小谐波阻抗很小谐波电注叠加在电容器的基波上, 使电容器电流变大, 温度升高, 寿命变短, 引起电容器过负荷甚至爆炸, 同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振, 使故障加剧。

2.4 对保护装置的影响:

谐波会引起继电保护和自动装置误动作或拒动。使其动作失去选择性, 可靠性降低, 容易造成事故, 严重威胁电力系统的安全运行。此外, 电力谐波还会对测量和计量仪器产生影响, 造成混乱。

2.5 对通讯系统的影响:

电力线路上流运的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时, 会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压, 干扰通信系统的工作, 影响通信线路通话的质量。

2.6 对家用电器的影响:

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件温度出现过热, 使计算机及数据处理系统出现错误, 严重甚至损害机器。

3 为了减少谐波现象, 从技术相可采取以下措施:

3.1 削弱交流电机绕组电势中的高次谐波的方法

3.1.1 使气隙中磁场分布尽可能接近正弦波。

对凸极同步电机, 把气隙设计得不均匀, 使磁场中心处气隙最小, 而磁极边缘气隙最大, 以改善磁场分布情况, 对于隐极同步电机, 可通过改善励磁线圈分布范围来实现。

3.1.2 采用对称的三相绕组, 对称三相绕组无

论接成星型或三角型, 其线电动势中都不存在三次及其奇数倍次谐波。因三相电动势中的三次谐波相位上相差3*120O=360O, 即它们同相位、同大小、故星型联接时, 线电动势中的三次谐波电动势互相抵消, 同理, 接成三角型时, 线电动势中依然不存在三次谐波, 但却会在三角形回路中产生三次谐波环流, 在各绕组中产生短路压降, 相当于短路, 引起附加损耗。正因如此, 同步发电机定子绕组多采用星型接法。

3.1.3 采用短距张组。

适当选择线圈节距, 可以使某一次谐波的短距系数为零或很小, 以达到消除或削弱该次谐波的目的。

3.1.4 采用分布绕组。

当每极每相槽数越大时, 谐波电势的分布系数的总趋势变小, 从而掏谐波电动势的效果好, 但当槽数太大时, 电机成本增高, 且槽数大于6时, 高次谐波分布系数下降已不太显著, 因此一般交流电机选择2~6。可见采用分布绕组时, 基波分布系数略小于1, 而5、7次谐波分布系数就小很多, 因此可以改善电动势波形。

3.2 我国制造的1600KVA以上的变压器, 一

次侧、二次侧总有一方是接成三角形的, 下面予以讨论原因:

3.2.1 YY联接的三相变压器。

要在铁心柱中产生正弦波磁通, 励磁电流必须呈尖顶波, 即含有较强的三次谐波, 在三相系统中, 各相电流的三次谐波之间的相位差3*120O=360O, 即各相三次谐波电流在时间上同相位。在一次侧为Y接的三相绕组中, 三次谐波电流不能流通, 即励磁电流中不含有三次谐波而接近正弦波。此时铁心中磁通波形就要决定于磁路结构。

三相组式变压器磁路是互相独立、彼此不相关联。当励磁电流呈正弦波, 主磁通呈平顶波时, 主磁通中的三次谐波和基波一样, 可以沿铁心闭合, 在铁心饱和的情况下, 其含量较大。三次谐波电动势幅值可达到基波幅值的45%~60%, 甚至更大, 由于三相绕组的三次谐波电动势是同位的, 故在现电势中不存在三次谐波, 然而在高压相绕组中, 相电势最大值可能损坏绝缘, 因此三相组式变压器不能采用YY联接。

三相心式变压器的磁路是各相相互关联的, 对于三相基波磁通, 都能沿铁心闭合, 但对于三次谐波磁通, 三相同相位, 它们不能沿铁心闭合, 只有从铁轭处散射出去, 穿过一段时间, 借道油箱壁而闭合, 这样三次谐波磁通就遇到很大的磁阻, 使得它们大为削弱, 使主磁通接近正弦波, 因此相电势中三次谐波很小, 电势波形接近正弦波。我国配电变压器就采用心式铁心结构, 由于三次谐波磁通通过油箱壁或其它铁构件中产生涡流损耗, 从而使变压器效率降低, 因此变压器效率降低, 因此变压器容量不大于1600KVA才采用这种联接组。

3.2.2 DY及YD联接的三相变压器。

对于DY联接的三相变压器, 由于在一次侧三角形接法的绕组中, 三相同相位的三次谐波电流可以流过, 因此在励磁电流中存在所须要的三次谐波可以流通, 因此在励磁电流中存在所须要的三次谐波分量从而使主磁通呈正弦波, 使相电势呈正弦波。因为铁心中的主磁通决定于一次侧绕组, 二次侧绕组的合成磁动势, 所以三角形接法的绕组在一次侧或二次侧没有区别, 故上述结论亦适合与YD联接的三相变压器。我国制造的1600KVA以上的变压器, 一次侧, 二次侧总有一方是接成三角形的, 其理由也在于此。

3.2.3 装设静止无功补偿装置, 对大型电弧炉

及晶闸管控制的轧钢机等非线形设备, 由于其负荷是冲击性的, 而且是随机的, 因此易装设能吸收动态谐波的静止无功补偿装置, 提高供电系统承受谐波的能力。

3.2.4 对于大容量的电容器组, 回路内增设限流装置或串联电抗器, 以抑制电力谐波的产生。

3.2.5 选择合理的供电电压, 并尽可能保持三相电压平衡。

3.2.6 采用滤波器抑制谐波。

a.LG滤波器是传统的无源谐波抑制装置。由滤波电容器, 电抗器和电阻器适当组合而成, 与谐波源并联, 除起滤波作用外, 还兼顾无功补偿的需要。b.有源电力滤波器是一种电力电子装置, 其原理是从补偿对象中检测出谐波电流, 由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流, 从而使电网电流只含基波分量。c.有源电力滤波经多年的使用发展后, 产生了与LG滤波器混合使用方式。其基本思想是利用LG滤波器分担有源电力滤波器的部分补偿任务。

责任编辑:魏玉新

参考文献

[1]辜承林.电机学[M].

[2]顾绳谷.电机及拖动基础[M].