电力谐波治理范文（精选12篇）
电力谐波治理 第1篇
一、电力系统谐波危害
(1) 谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗, 降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热, 严重的甚至可能引发火灾。
(2) 谐波会影响电气设备的正常工作, 使电机产生机械振动和噪声等故障, 变压器局部严重过热, 电容器、电缆等设备过热, 绝缘部分老化、变质, 设备寿命缩减, 直至最终损坏。
(3) 谐波会引起电网谐振, 可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍, 会对系统构成重大威胁, 特别是对电容器和与之串联的电抗器, 电网谐振常会使之烧毁。
(4) 谐波会导致继电保护和自动装置误动作, 造成不必要的供电中断和损失。
(5) 谐波会使电气测量仪表计量不准确, 产生计量误差, 给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。
(6) 谐波会对设备附近的通信系统产生干扰, 轻则产生噪声, 降低通信质量;重则导致信息丢失, 使通信系统无法正常工作。
(7) 谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作, 造成数据丢失或死机。
(8) 谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能, 造成噪声干扰和图像紊乱。
二、电力系统谐波治理
基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种。
(1) 增加整流变压器二次侧整流的相数
对于带有整流元件的设备, 尽量增加整流的相数或脉动数, 可以较好地消除低次特征谐波, 该措施可减少谐波源产生的谐波含量, 一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一, 其在交流侧所产生的高次谐波为t K 1次谐波, 即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K 1, 如果增加到12脉动时, 其谐波次数为n=12K 1 (其中K为正整数) , 这样就可以消除5、7等次谐波, 因此增加整流的相数或脉动数, 可有效地抑制低次谐波。不过, 这种方法虽然在理论上可以实现, 但是在实际应用中的投资过大, 在技术上对消除谐波并不十分有效, 该方法多用于大容量的整流装置负载。
(2) 整流变压器采用Y/或/Y接线
该方法可抑制3的倍数次的高次谐波, 以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理, 当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时, 其中3的倍数次高次谐波电流无路可通, 所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通 (三相相位一致) , 而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势, 从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致, 只能在形绕组内产生环流, 将能量消耗在绕组的电阻中, 故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出, 三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时, 谐波源产生的3n (n是正整数) 次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流, 不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波, 是抑制高次谐波的最基本方法, 该方法也多用于大容量的整流装置负载。
(3) 尽量选用高功率因数的整流器
采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法, 用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造, 使其尽量不产生谐波, 其电流和电压同相位的组合装置, 这种整流器可以被称为单位功率因数变流器 (UPFC) 。该方法只能在设备设计过程中加以注意, 从而得到实践中的谐波抑制效果。
(4) 整流电路的多重化
整流电路的多重化, 即将多个方波叠加, 以消除次数较低的谐波, 从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多, 波形越接近正弦波, 但其电路也越复杂, 因此该方法一般只用于大容量场合。另外, 该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波, 同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值, 并提高纹波频率。如果把上述方法与PWM技术配合使用, 则会产生很好的谐波抑制效果。该方法用于桥式整流电路中, 以减少输入电流的谐波。
当然, 除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法, 还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法, 它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置 (SVC) 等等。
电力谐波治理 第2篇
无源电力滤波器的设计与调试
华北电力大学电气工程学院
一、无源LC滤波器根本原理和结构
LC滤波器仍是应用最多、最广的滤波器。
1、常用的两种滤波器：调谐滤波器和高通滤波器。
2、滤波器设计要求
1〕使注入系统的谐波减小到国标允许的水平；
2〕进行基波无功补偿，供应负荷所需的无功功率。
3、单调谐滤波器
由图主电路可求：
调谐频率：
调谐次数：
在谐振点：∣z∣＝R
特征阻抗：
品质因数：
q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30～60。
4、高通滤波器
用于吸收某一次数及其以上的各次谐波。如下图。
复数阻抗：
截止频率：
结构参数：，一般取m=0.5~2；
q=0.7
~
1.4
依据以上三式可设计高通滤波器的参数。
二、滤波器设计内容和计算公式
1、滤波器参数选择原那么
原那么：最小投资；母线
THDU
和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料：
1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；
2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；
3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；
4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；
5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求。
以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。
案例设计问题：没有系统最终规模的谐波资料……
2、滤波器结构及接线方式选择
由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。工程接线可灵活多样，但推荐采用电抗器接电容低压侧的星形接线，主要优点是：
1〕任一电容击穿短路电流小；
2〕设备承受的仅为相电压；
3〕便于分相调谐。
高通滤波器多采用二阶减幅型结构〔基波损耗小，频率特性好，结构简单〕。经济原因高通滤波器多用于高压。
1、滤波器参数选择原那么
原那么：最小投资；母线
THDU
和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料：
1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；
2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；
3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；
4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；
5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求
以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。
本案例1段母线滤波器接线〔图纸拷贝〕……。
3、滤波器设计参数的分析处理
参数设计必须应依据实测值或绝对可靠的谐波计算值，但根据具体情况可作一些近似处理：
1〕母线短路容量较小或换算得到的系统电抗〔包括变压器〕XS较大时，可忽略系统等值电阻RS；
2〕系统原有谐波水平应通过实测得到，在滤波器参数设计时，新老谐波电流源应一起考虑；
3〕L、C制造、测量存在误差，以及f、T变化可能造成滤波器失谐，误差分析是参数设计必须考虑的问题；
4〕参数设计涉及技术指标、平安指标和经济指标，往往需经多个方案比拟后才能确定。
4、滤波器方案与参数的分析计算
1〕确定滤波器方案
确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。
例如：三相全波整流型谐波源，可设5、7、11次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率选12次。无功补偿要求沉着量需求平衡角度，通过计算综合确定。
2〕滤波器根本参数的分析
电容器根本参数：额定电压UCN、额定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3
U2CN/
QCN〔这里QCN
是三相值〕。
为保证电容器平安运行，电压应限制在一定范围内。
3〕滤波器参数的初步计算〔按正常条件〕
设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到：
其中，q
为滤波器的最正确品质因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择的参数。但为保证电容器的平安运行还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下：
4〕滤波器参数的初步计算
串联电抗器参数
以上为单调谐滤波器参数的初步选择。
5〕滤波器参数的最后确定
滤波器最终参数需通过大量、屡次频率特性仿真计算结果确定；并根据要求指标进行校验。
为保证平安运行，还要选断路器、避雷器、保护等。
自动调谐滤波器〔改变电感
L〕能提高滤波效果。但由于技术经济的原因，目前应用不普遍。
5、滤波器参数指标的校验
1〕电压平衡
：校验支路滤波电容器的额定电压
2〕电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平，IEC为1.45倍。
3〕容量平衡：QCN=
QC1〔基波容量〕+ΣQ
h
(谐波容量)；
对滤波支路仅考虑I1
和Ih
通过时，近似有：
6、其它分析、计算工作
1〕滤波支路等值频偏〔总失谐度〕的计算
2〕滤波支路品质因数q值的计算
其中，δs为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。
3〕滤波器性能和二次保护等分析计算
滤波器设计的技术性很强，需有专门的程序。除参数计算外，要能对滤波器的谐波阻抗、综合阻抗、谐波放大、局部谐振〔串、并联〕等滤波性能进行分析。
三、案例滤波器设计方法介绍
1、案例简介
2、谐波数据合成中频炉属交－直－交供电，换流脉动数为6，特征谐波值为6K±1次谐波。非对称触发等原因，存在非特征谐波。
福建中试测试：线2、线4和中频炉馈线；各谐波电压畸变率全部超标，5、11、13及以上谐波电流超标。
非在电网最小方式、钢厂非满负荷下的测试，测试结果偏小；及今后8台炉投运超标肯定更大。
设计问题：没有单台电炉谐波测试数据，没有新供电方案下负荷同时运行测试数据，需根据经验及现有供电方案谐波测试数据进行分析获取设计数据。
按电炉变80％负荷率合成各母线谐波电流……。
3、基波无功容量计算
按母线电炉全部运行功率因数大于0.9，单炉运行功率因数应小于1，治理前平均功率因数取0.85条件，通过程序计算各段母线的三相基波补偿容量：
10KV
I段：Q=3.8MVAR
10KV
II段：Q=2.65MVAR
605频炉线：
Q=1.9MVAR4、考核标准计算和滤波器配置选择
根据各母线的短路容量，计算各段母线电炉运行过程中的谐波考核标准；以及比照合成的谐波电流水平，选择、配置各段母线的滤波器。
总电压畸变率国标规定的限值
各级电网谐波电压限值〔%〕
电压〔KV〕
THD
奇次
偶次
0.38
5..4.0
2.0
6.10.4
3.2
1.6
35.66
2.4
1.2
1.6
0.0
允许注入电网的各次谐波电流国标规定限值〔局部〕
短路容量不同时的换算公式：
根据短路容量换算案例的各母线谐波电流允许值。
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
0.260
020.0
013.0
020.0
008.5
015.0
006.4
006.8
005.1
009.3
〔I〕010.0
116.0
025.0
016.5
012.5
016.9
008.2
013.3
006.1
006.5
004.9
008.7
(II)010.0
116.0
019.1
010.1
009.5
010.8
006.2
009.0
004.7
005.0
003.7
006.5
(605)010.0
080.0
011.1
005.1
005.6
005.6
003.6
004.9
002.7
002.9
002.2
003.7
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
004.3
007.9
003.7
004.1
003.2
006.0
002.8
005.4
002.6
002.9
〔I〕010.0
116.0
004.1
007.5
003.6
003.9
003.1
005.8
002.7
005.2
002.5
002.8
(II)010.0
116.0
003.2
005.7
002.7
003.0
002.3
004.4
002.1
004.0
001.9
002.1
(605)010.0
080.0
001.8
003.3
001.6
001.8
001.4
002.6
001.2
002.3
001.1
001.2
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
002.3
.004.5
.004.5
002.1
004.1
〔I〕010.0
116.0
002.2
004.3
004.3
002.0
003.9
(II)010.0
116.0
001.7
003.3
003.3
001.5
003.0
(605)010.0
080.0
001.0
001.9
001.9
000.9
001.8
与合成的案例谐波比拟：各母线谐波电流均超标，由于装置的非同时触发，存在非特征谐波超标的现象。因此只能对主要的频谱进行设置滤波器；由于电炉运行方式大幅度变化，特别是10KV
I段负荷变化较大，受基波无功补偿容量限制，参数设计存在难度及影响其滤波效果。
综合考虑：各母线配置5、7、11、13次滤波器。
5、滤波器参数设计〔以10KV
I段为例〕
由于中频炉谐波为连续频谱谐波，以及基波补偿电容器的限制，滤波器参数设计很难满足要求，经几十次分析、比拟，确定的案例最终单相参数如下：
H5
H7
H11
H13
合计
电容器〔μF〕
27.51592
20.77733
22.98421
三相电容器安装容量〔kvar〕
1830
1350
1860
1269
6309
三相基波输出容量〔kvar〕
900
666
1108
726
3400
电抗器〔毫亨〕
14.74522
9.96178
2.39522
2.61115
考虑的问题：滤波效果，电压、电流、容量是否能够平衡，是否存在谐波放大，无功是否过补等，通过对参数进行屡次仿真，调整、比拟和评估设计效果，……。
1段母线补偿电容器和滤波器同时运行仿真例如：
仅滤波器投入运行的仿真例如。……。
四、设备定货、施工和现场调试
1、拟合标准指标与产品定货
按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调节范围，提出温升、耐压、损耗等指标。
电容器要求+误差，电抗器±5%可调，电容器质量…。
注意滤波电容器，干式、油侵电容器等问题……。
2、工程施工需要注意的问题
LC滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程资料，安装、施工要求；由于滤波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查，保证连接正确，防止相序、设备接线错误
案例施工中的问题：连接、保护……
3、现场调试主要要求和方法
1〕要求：保证系统可靠运行，防止系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限制在有效范围内；保证滤波本身平安运行，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷，以及投、切时的过电压、过电流不损坏本体设备。
其中，多数与设计有关……。
2〕步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放大，决定滤波器是正调偏还是负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保护，避雷器对投切、断路器重燃过电压有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效果。
案例调试中发生的问题：……。
3〕方法：
幅频特性法：谐振时Z=R，滤波器电流最大；电阻上的电压最大，滤波器总电压最小；因此，通过观测两个电压与预估的电压比拟，可确定调谐回路的谐振。
缺点：误差大，有计算误差、试验误差和观测误差。
相频特性法：把电阻电压和滤波器总电压分别送示波器两个通道进行相角比拟，可确定滤波器是否谐振。可采用同轴或不同轴两种方法。同轴法看到的是点重合或相反，因此误差大；不同轴法通过椭圆变成直线确定谐振，因此观察比拟容易，准确，工作量小。
放电振荡法：过程如图
放电时测量R上电压，记录波形；
测量周波时间，可计算谐振频率。
缺点：每测一次都需充、放
电一次，过程复杂，也不够准确。
因此，三种方法中，相频特性法比拟实用，而且可用频率计实际测量谐振频率；改变信号发生器频率，还可以测量滤波器的阻抗频率特性。
实际工程一般采用-5%〔负偏〕调谐滤波器。
4、案例工程运行测试结果〔1段母线〕
投运前：
电压〔V〕
电流〔A〕
功率因数
电压总畸变率%
电流总畸变率%
9800
540
0.88
10.1
5.1
投运后：
电压〔V〕
电流〔A〕
功率因数
电压总畸变率%
电流总畸变率%
10200
560
0.99
1.5
4.2
投运后各次谐波电流的95%最大值
五、关于电弧炉谐波治理的简介
1、电弧炉负荷特点和治理要求
1〕三相负荷电流严重不对称，严重时负序可达正序的50%～60%，熔化期也占20%。需解决不平衡问题；
2〕含有2、3、4、5、7等次谐波，产生的谐波电流频谱广，含有偶次谐波，谐波治理要求高；
3〕电弧炉随机运行在开路--短路--过载状态，很大的功率冲击，引起PCC母线电压变动，存在电压闪变问题。
4〕电炉变压器和短网消耗大量无功，因此运行功率因数非常低，增大电网损耗、降低电压水平。
小容量电弧炉可用
LC
无源滤波器，但对设计的要求比拟高，一般采用C型电力滤波器。
2、常用SVC形式和TCR补偿原理
常用的SVC有晶闸管控制电抗器〔TCR〕、自饱和电抗器〔SR〕和晶闸管投切电容器〔TSC〕三种。
TCR原理、结构，以及相关工程、技术问题如下：
3、TCR补偿与LC滤波的原理区别
1〕电弧炉负荷三相不平衡、无功冲击是根本原因，要求进行动态、分相补偿，TCR是解决问题的必须手段。同时解决电弧炉负荷产生、存在的问题。
TCR为动态补偿装置，响应时间在20ms内。
2〕LC滤波器以治理谐波为主，兼顾补偿系统无功。目前一般应用场合，不具备动态补偿功能。
电力机车谐波治理可采用投切方式〔非动态〕。
3〕采用那种类型的装置，涉及到负荷性质、滤波〔
或补偿〕效果、可行性和工程投资等。
电力系统谐波的危害及治理方法研究 第3篇
目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害。因而，了解谐波来源及危害，研究和清除供配电系统中高次谐波的方法，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。
1 谐波的危害
1.1 谐波的来源及危害
在电力系统中，产生谐波的原因、设备是很多的，能够产生谐波的主要来源有以下几个方面：①整流设备、逆变设备、交流调压设备和变频设备。②电网中的变压器群。③较大的单相电力电子装置。④工业用电弧炉。⑤静止补偿装置中的可控电抗器和饱和电抗器。⑥高新技术产品中的元件，如敏感电子器件等等。
由上面的分析可以看出，产生谐波的原因是多方面的。其对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。
(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
(6)谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。
(7)谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。
1.2 谐波对变压器设备的影响
谐波对变压器设备的影响更大。对于全星形联结的变压器，若绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器组时，可能形成3次谐波谐振，使附加损耗大增，严重影响变压器的可靠性谐波电流同时也使变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，使变压器噪声增大。另一方面，对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损失增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是，这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降，因此，为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内；还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量反映在电费上。
2 谐波的治理方法
基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种：
2.1 抑制谐波电流的放大
2.1.1 调谐的谐波吸收器
该谐波吸收器是由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路，并调谐为对某一频率谐波电流具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地清除配电网络中的主要谐波部分。
2.2.2 非调谐的谐波吸收器
该谐波吸收器是由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路，并调谐为低于最低次谐波的频率以防止谐振。
2.1.3 加装隔离变压器
均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台DYN接法的隔离变压器来削弱。
2.2 在谐波源出吸收谐波电流
变压器/逆变器產生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。有源滤波器借助于两个电流/电压互感器，通过其电子设备记录实际的电流曲线。电流曲线被以平均10kHz的频率来采样。依据采值的大小，通过1GBT桥式电路和注入线圈将一移相180°的电流注入电网，即一个正值被一个负值抵消掉了，从而获得一个纯粹的正弦波。另外改变谐波源的配置或工作方式，也可起到减少谐波的作用，例如具有谐波互补性的装置应集中，非互补性的应分散或分时交替使用等。 2.3 提高谐波检测技术
谐波的检测在谐波治理过程中具有举足轻重的地位，只有不断提高测量技术，改进测量仪器，才能得出更为准确的测量结果，以便及时反映和分析，从而制定出更为合理有效的治理谐波的方法。 3 结语
随着现代信息技术、计算机技术和电子技术的发展，供电质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。研究电力系统中的谐波问题，了解谐波来源及危害，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。笔者相信，随着时代的进步，人们对谐波的认识将会更加深入，采取的治理方法将更为全面、有效，使电力系统的运行更安全，电能损耗更低，企业经济效益更好。
参考文献
[1] 肖湘宁. 电能质量分析与控制[M]. 北京，中国电力出版社，2004: 164-197.
关于电力系统谐波治理的探讨 第4篇
(1) 污染公用电网。如果公用电网的谐波特别严重, 则不但使接入该电网的设备 (电视机、计算机等) 无法正常工作, 甚至会造成故障, 而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流, 造成超载、发热, 影响电力正常输送, 严重的甚至可能引发火灾。 (2) 对线路的影响。对供电线路来说, 由于集肤效应和邻近效应, 线路电阻随着频率的增加会很快增加, 在线路中会有很大的电能浪费。另外, 在电力系统中, 由于中性线电流都很小, 所以其线径一般都很细, 当大量的谐波电流流过中性线时, 会在其上产生大量的热量, 不仅会破坏绝缘, 严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时, 会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿, 造成恶性事故。 (3) 影响变压器工作。谐波电流, 特别是3次 (及其倍数) 谐波侵入三角形连接的变压器, 会在其绕组中形成环流, 使绕组发热。对Y形连接中性线接地系统中, 侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。 (4) 影响继电保护和自动装置。对于电磁式继电器来说, 电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动, 造成整个保护系统的可靠性降低, 造成不必要的供电中断和损失, 影响电力系统的安全。 (5) 对电力电容器的影响。在谐波电压作用下, 电容器会产生额外的功率损耗, 加快绝缘介质的老化。更为严重的是, 大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振, 造成电容器超载而损坏;使与电容器连接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变、超压、过负荷而损坏。 (6) 对通信线路产生干扰。在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时, 通过电磁耦合, 会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。轻则产生噪声, 降低通信质量;重则导致信息丢失, 使通信系统无法正常工作。
2 抑制电力系统谐波影响的措施
谐波具有多发性、随机性和不可重复性等特点, 其治理方法也各式各样, 限于篇幅问题, 本文在此只简单介绍几种抑制谐波影响的措施, 仅供参考。
(1) 尽量选用高功率因数的整流器。采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法, 用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造, 使其尽量不产生谐波, 其电流和电压同相位的组合装置, 这种整流器可以被称为单位功率因数变流器 (UPFC) 。该方法只能在设备设计过程中加以注意, 从而得到实践中的谐波抑制效果。
(2) 整流变压器采用Y/或/Y接线。该方法可抑制3的倍数次的高次谐波, 以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理, 当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时, 其中3的倍数次高次谐波电流无路可通, 所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通 (三相相位一致) , 而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势, 从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致, 只能在形绕组内产生环流, 将能量消耗在绕组的电阻中, 故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出, 三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时, 谐波源产生的3n (n是正整数) 次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流, 不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波, 是抑制高次谐波的最基本方法, 该方法也多用于大容量的整流装置负载。
(3) 在谐波源处吸收谐波电流。这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法, 这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。 (1) 无源滤波器:采用无源滤波器是传统的抑制谐波的方法。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧, 由L、C、R元件构成谐振回路, 当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时, 即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点, 无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但这种装置的缺点是容易过载, 在过载时会被烧损。因此, 随着时间的改变以及配件老化或电网负载的变动, 会改变谐波振频率, 使滤波效果下降。更重要的是, 无源滤波器只可以过滤一种谐波成分, 如要过滤不同的频率, 则要分别采用不同的滤波器。因而随着电力电子技术的不断发展, 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 (2) 有源滤波器:与无源滤波器相比, APF具有高度可控性和快速响应性, 能补偿各次谐波, 可抑制闪变、补偿无功, 有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响, 可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能, 可自动跟踪补偿变化着的谐波。 (3) 采用混合型滤波器:即可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。其中, 无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压;滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网, 由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除, 它所产生的补偿电压中只含有谐波电压, 故其功率容量很小, 具有良好的经济性。 (4) 防止并联电容器组对谐波的放大:在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时, 在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用, 危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器, 或将电容器组的某些支路改为滤波器, 还可以采取限定电容器组的投入容量, 避免电容器对谐波的放大。 (5) 采用谐波保护器:采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题, 即采用磁场吸收谐波能量的方法, 具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器 (HPD) , 采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路, 能吸收各种频率各种能量的谐波干扰, 将谐波消除在发生源, 自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。 (6) 加装静止无功补偿装置:快速变化的谐波源, 如电弧炉、电力机车和卷扬机等, 除了产生谐波外, 往往还会引起供电电压的波动和闪变, 有的还会造成系统电压三相不平衡。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置, 可有效减小波动的谐波量, 同时可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡, 还可补偿功率因数。
3 结语
在实际工作中, 谐波具有多发性、随机性和不可重复性等特点。所以针对这一课题, 必须深入研究, 在设计、制造和使用非线性负载时, 采取有力的抑制谐波的措施。不仅能够改善整个网络的电力品质, 同时也能延长用户设备使用寿命, 提高产品质量, 降低电磁污染环境, 减少能耗, 提高电能利用率, 为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。
摘要：随着国家经济建设的迅猛发展, 城市对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多。城市电网中因使用电器产生的谐波污染日益严重, 对于整个电力系统的正常运行产生了严重威胁, 因此研究谐波的危害及其采取相应的治理措施, 对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。
高次谐波的产生及其治理 第5篇
一、概述
目前，许多变电所的负荷中含有大量非线性负荷，如整流装置、交-交变频装置、炼钢电弧炉、中频炉、电力机车、交流电焊机、高频电焊机、中频淬火炉、高频淬火炉、计算机的开关电源、带电子镇流器的荧光灯等。供电给这些非线性负荷的系统电压即使为理想正弦波，它们工作时的电流也是非正弦电流。这些非正弦电流波形按傅氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波。谐波频率为基波频率的整数倍时，称为高次谐波；其频率为基波频率的非整数倍时，称为分数谐波或旁频波；其频率低于基波频率时，称为次谐波。谐波电流流经系统中包括发电机、输电线、变压器等各种阻抗元件时，必然产生非正弦的电压降，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。电压畸变的程度取决于非线性负荷容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗，畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响。因而谐波电流和谐波电压是相伴而生、相互影响的。
二、谐波危害 2.1通讯干扰
非线性负荷供电系统产生的谐波对与其邻近的通讯线路产生静电感应及电磁感应，在通讯系统内产生不良影响。2.2同步发电机的影响
电力系统中的同步发电机，特别是以非线性负荷为主或以发电电压直接供给非线性负荷的同步发电机，高次谐波对其有较大不良影响。谐波电流引起定子特别是转子部分的附加损耗和附加温升，降低了发电机的额定出力。2.3对异步电动机的影响
谐波引起电机角速度脉动，严重时会发生机械共振。对电动机的功率因数和最大转矩都有影响。2.4对电力电容器的影响
由于电容器的容抗和频率成反比，电力电容器对谐波电压最为敏感。谐波电压加速电容器介质老化，介质损失系数tgδ增大，容易发生故障和缩短寿命，谐波电流常易使电容器过负荷而出现不允许的温升。电容器与电力系统还可能发生危险的谐振。此时，电容器成倍地过负荷，响声异常，熔断器熔断，使电容器无法运行。伴随着谐振，在谐振环节常出现过电压，造成电气元件及设备故障或损坏，严重时影响系统的安全运行。
2.5对电缆线路绝缘的影响
对电缆线路，非正弦电压使绝缘老化加速，漏泄电流增大；当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。2.6对变压器的影响 谐波电压使变压器激磁电流增大，效率变低，并恶化其功率因数。谐波放大会造成主变声音异常。2.7对测量仪的影响
高次谐波会引起电度表误差，谐波频率愈高，误差愈大，且均为负误差。
2.8对继电保护自动装置等的影响
当谐波电压水平较高时，对供电系统的电压自动调节的误差有所增加。负序系统的高次谐波电流对具有负序电流谐波滤波装置的继电保护装置有不良影响。谐波电流恶化甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的工作。2.9对整流装置的影响
高次谐波对脉冲—相位控制的可控硅（晶闸管）整流装置有较大影响，可能造成脉冲丢失而烧坏可控硅管。
由于谐波的这些危害，所以在设计和建设非线性负荷的配电时，必须满足国家制订的谐波标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93要求，采取抑制和消除谐波的措施。抑制和消除谐波，主要归结为抑制和消除谐波电流，使电压畸变率和系统注入公共连接点的 谐波电流符合国家标准。
三、公用电网谐波国家标准
国家标准GBT/14549-93中谐波电压限值和谐波电流允许值如下： 3.1公用电网谐波电压（相电压）限值见表1： 表1电网标称电压(kv)
电压总畸变率(％)
各次谐波电压含有率(％)
奇次
偶次
0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6
3.0 2.4 1.2
2.0 1.6 0.8
3.2谐波电流允许值
3.2.1公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2中规定的允许值。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值的换算为：
Ih=（Sk1/Sk2）×Ihp
式中：Sk1——公共连接点的最小短路容量，MVA； Sk2——基准短路容量，MVA；
Ihp——表2中的第h次谐波电流允许值，A； Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA
谐波次数及谐波电流允许值，3 4 5 6 7 8
A 9 10 11 12 13
0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 100 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9
250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7
500 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0
75.12 9.6 6 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7
续表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA
谐波次数及谐波电流允许值，A 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0.38 10 11 12 9.7 18 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 12 100 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 4.9 3.9 7.4 3.6 6.8 100 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.1 35 250 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 1.8 1.4 2.7 1.3 2.5
500 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 1.9 1.5 2.8 1.4 2.6
750 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9 3.2.2同一公共接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方式见下式： Im=Ih(Si/St)1/α
式中：Im——公共接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值，A；
Ih——按式(1)换算的第h次谐波电流允许值，A； Si——第i个用户的用电协议容量，MVA；
St——公共接点的供电设备容量，MVA； α——相位迭加系数，按表3取值。表3h 3 5 7 11 13
9(>13)偶次
α
1.1 1.2 1.4 1.8 1.9 2
四、谐波电流发生量 4.1整流装置谐波电流理论值
整流装置谐波有特征谐波和非特征谐波之分，特征谐波是指整流装置运行于正常条件下所产生的谐波。正常条件下的电源为三相对称系统，供电回路为三相对称回路。对于可控硅整流装置而言，各相控制角及特性没有差异。若整流装置运行于非正常条件下除产生特征谐波外，还产生非特征谐波。
特征谐波具有间断性幅值频谱，其谐波次数由整流相数决定。可以用一个简单的通式来表达。如以p代表相数（脉波数），k为正整数，则特征谐波次数为n=kp±1。
特征谐波幅值大小与重迭角γ和控制角α及容量有关，工程应用可由曲线查得。
非特征谐波可能具有连续的幅值频谱，其谐波次数不可能用一个简单的通式来表达。非特征谐波幅值大小虽可从理论上加以推导，但很困难且不准确。通常数值不大，工程上可取In=（0.15～0.2）I1/n。但个别工程由于整流装置的控制角误差而引起的非特征谐波值很大，甚至比特征谐波值还大。这时应调整整流装置的触发系统，使非正常谐波值减小。否则，谐波滤波装置的组数需增加，投资需增大。4.2交流电弧炉谐波电流发生量
炼钢电弧炉在熔化期间内，由于电弧特性是非线性的，将产生大量的谐波电流，而且三相电流不平衡，具有较多的3次谐波。从电流波形看出，正负两部分也是不对称的，说明还存在偶次谐波。主要是2次谐波。
电弧炉谐波电流的频率是一组连续频谱，其中整数谐波2、3、4、5、6、7次的幅值较大，而非整数次幅值较小。
在熔化期内，谐波电流随电弧电流变化，其峰值与均方根值相差很大。谐波滤波装置设计不宜采用瞬时峰值，应按最严重一段时间内的谐波电流平均值考虑。对一运行的电弧炉，最好通过测试取得。对新建或无条件测试的可参考表三选取。表4n 1 2 3 4 5 6 7
In/I1 100 7~11 8~13 4~6 5~7 2~3 2~3
五、谐波治理方法
5.1增大供电系统对谐波的承受能力；提高系统的短路容量；采用较高电压供电。
5.2减小谐波发生量：增加整流装置的脉动数、增大换向电抗、改善触发对称度；同类型非线性负荷尽量集中供电，利用谐波源之间的相位不同相互抵消部分谐波。
5.3避免谐波放大和谐振，选择合适的电容器组参数或采用合适参数串联电抗器。5.4安装电力谐波滤波装置 加大系统的短路容量难以实现，增加整流器的等效相数也受到限制，当等效相数超过12相时，需增加移相设备，同时会带来维修运行上的不便，安装谐波滤波装置就成了首选。谐波滤波装置既能消除谐波，又能补偿无功功率，提高功率因数，具有显著的经济效益。5.5抑制快速变化谐波的措施
快速变化的谐波源(如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等)除产生谐波外，往往还引起供电电压的波动和闪变，抑制快速变化谐波的技术措施就是在谐波源处并联装设静补装置，又称动态无功补偿装置。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗器或电容器组合而成。
目前技术上较成熟，工程上应用较多的有下述四种基本形式：
1.自饱和电抗器；2.晶闸管控制电抗器；3.晶闸管控制高漏抗变压器；4.晶闸管投切电容器。
我公司开发的“晶闸管过零触发装置”专利技术，应用于晶闸管投切电容器动态谐波滤波装置，其动态响应速度达到了晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置性能，其对谐波的吸收效果优于晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置。5.6有源电力滤波器
有源电力滤波器是运用电力电子技术，向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。
目前国内有源电力滤波器产品功率较小，价格较高，尚未大量使用。
有源电力滤波器技术是谐波治理技术的发展方向。
六、电力高次谐波滤波装置 6.1谐波滤波装置谐波器支路种类 谐波滤波器大致分为以下几种：（图一)a：单调谐谐波滤波器：频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。
b：双调谐谐波滤波器：可代替两个单调谐谐波滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。
c：一阶高通谐波滤波器：因基波损耗大，一般不采用。d：二阶高通谐波滤波器：通频带很宽，滤波效果好，但损耗比单调谐大，通常用于较高次谐波。
e：三阶高通谐波滤波器：电容器利用率较高，基波损耗小，但滤波效果不如二阶高通谐波滤波器，一般用于电弧炉滤波。
f：“C”式高通谐波滤波器：性能处于二阶和三阶高通谐波滤波装置之间，R的基波损耗最小，适用于电弧炉谐波滤波装置。
最常用的谐波滤波器为单调谐谐波滤波器和二阶高通谐波滤波器。
6.2 谐波滤波器的原理
我们以单调谐谐波滤波器为例来介绍一下谐波滤波装置的原理：（图二）
流入系统的谐波电流为：Isn=In×Xfn/（Xfn+Xsn）其中：
In——谐波电流发生量； Isn——流入系统的谐波电流； Xsn——系统的谐波阻抗； Xfn——谐波滤波器的总谐波阻抗。
谐波滤波器的总谐波阻抗为：Xfn=Rfn+j（2πfL－1/（2πfC））其中：
Xfn——谐波滤波器的总阻抗； Rfn——谐波滤波器的总电阻 f——流过谐波滤波器的电流的频率 L——电抗器的电感量 C——电容器的电容量
当在某次谐波下2πfL—1/（2πfC）=0时，Isn=InRfn/（Rfn+Xsn）。
一般地，Rfn＜＜Xsn，此时Isn＜＜In。
谐波电流绝大部分流入谐波滤波器，极小部分流入系统。这就是谐波滤波装置吸收谐波的原理。6.3谐波滤波装置的设置原则 谐波滤波装置的设置原则如下：
a、谐波滤波装置投运后，系统电压总畸变率和流入系统电流必须满足国家颁布的谐波管理规定。
b、谐波滤波装置可安装在总降变电所或车间。安装于总降变电所可实现集中滤波和无功补偿。安装于车间可实现无功就地补偿。两者各有利弊。
c、谐波滤波装置设计应考虑背景谐波和近期发展的非线性负荷。留有一定裕量。6.4谐波滤波装置设计步骤
6.4.1设计谐波滤波装置时用户应提供以下资料：
a、公共连接点（P.C.C.点）的最小短路容量(Sk1，MVA)。b、变压器铭牌参数。c、每台用电设备容量。
d、谐波源设备工作方式(整流方式、工作原理)e、最好能提供实测电能质量参数。6.4.2谐波滤波装置容量的确定 谐波滤波装置总容量确定的基本原则：
a、满足滤波效果的要求，即保证流入系统的各次谐波电流和母线上的综合电压畸变率在国标（GB/T14549-93）规定的范围之内。b、谐波滤波装置的基波无功输出要满足无功功率补偿的需要量。在满足上述技术要求前提下，装置容量不宜过大。一则会使投资增加，二则会使母线或系统电压升高。6.4.3谐波滤波装置的支路设置
谐波滤波装置一般分为几个支路，根据谐波发生量的次数和大小设置各支路的参数，在满足负载无功补偿需要量、满足公共连接点（P.C.C.点）的电压畸变率和流入系统各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生并联电流谐振，以保证谐波滤波装置的长期安全运行。
谐波发生量的次数和大小由现场测试或理论计算确定。现场测试能准确测量出系统中存在的谐波量的次数和大小，为谐波滤波装置的设计提供准确的参数。6.4.4谐波滤波装置的结构和性能
谐波滤波装置由滤波电容器、调谐电抗器、微电感电阻器、柜架、开关柜等主要设备组合而成。一般装有2—4个单调谐谐波滤波装置，有时包括一个高通谐波滤波装置或“C”式谐波滤波装置，依不同场合具体参数优化设计而定。6.5谐波滤波装置的运行操作与维护保养
a、滤波装置必须严格按照设计要求进行运行操作，投入谐波滤波装置从低次往高次，切除谐波滤波装置从高次往低次。b、高压谐波滤波装置运行时，任何人不得进入安全网门内。谐波滤波装置切除后，经10分钟放电，并进行可靠接地后，安全网门内方可进入。
c、当谐波滤波装置室温度超过规定值时，应启动降温设备。d、滤波电容器和调谐电抗器应定期测量C（uf）、tgδ、L（mh）、绝缘电阻等。
e、谐波滤波装置室应定期清扫，遇有风雪或风沙天气，应关闭门窗。
我公司拥有多套谐波滤波装置的设计、制造、安装、调试、运行经验。我们愿为您提供以下服务： a、谐波在线测量
包括各种非线性负荷的谐波电流发生量、引起供电线母线电压正弦波形畸变率、电力系统背景谐波等。b、谐波评估
实测或理论计算谐波发生量及其危害的预测，并提出治理的初步方案。
c、滤波装置的优化设计
包括设备参数选择、最佳系统设计和主要组件的设备设计以及工厂设计。
电力系统谐波和间谐波检测方法综述 第6篇
【关键词】电力系统；谐波；间谐波；检测方式
前言
电的发明方便了人们的生活和生产。电力系统供电和输送电的主要系统，其是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节而组成的电能生产与消费系统[1]。电力系统的正常运作是维持我国用电正常的关键因素。因此，在其日常维护和检测过程中需要具有良好的检测系统和检测方式，这样才能够更好的保障其使用安全性，维持我国整体电力系统的使用。但是，在其检测过程中为进一步维持供电和电网信号的稳定，需要对其进行随机性、平稳性检测，这样才能够起到检测作用。因此，谐波和间谐波成为其检测的主要方式。对谐波和间谐波检测过程中受到各种因素的影响，其准确性上也存在一定的差异。因此，学者对谐波和间谐波的检测方式进行了临床研究。
一、谐波和间谐波的检测方法综述
针对当前我国对电力系统谐波和间谐波检测方式进行临床研究，将其检测方式主要分为频谱泄露和栅栏效应两种方式，且其两种方式在其算法上存在不同对检测结果会造成不同的影响。频谱泄露主要是指对频率在fs的正弦序列的离散谱进行测量。在正常情况下fs的正弦序列只有在该处具有离散谱，如果其在其余序列上具有离散谱，则说明产生了频谱泄露。其中崔晓荣，曹太强，王汇灵在其研究过程中针对频谱泄露检测方式对电力系统进行检测，并且在其实验过程中采用模型建立的方式对频谱泄露检测方式的准确性进行了分析[1]。其研究结果显示频谱泄露检测方式虽然能够根据其离散谱产生的位置确定电力系统的信号是否稳定，是否产生泄露，但是在其应用过程中受到相关检测环境内电磁信号的影响，会对其产生一定的影响。因此，其检测方式的准确率为86.39%，在对其进行应用过程中需要采用修正检测的方式对其进行测量检测和结果修正，从而提高检测准确率。
栅栏效应主要是指在对其信号进行检测过程中将其频谱设定为栅栏状态，透过栅栏能够确定频谱的一部分，从而将采取的样本信号进行FFT计算，最终获取其离散频率。栅栏效应在其应用过程中主要是利用其栅栏漏掉频谱进行计算和检测。其中丛超，胡全义，王慧武在其研究中采用栅栏效应检测方式对谐波和间谐波进行检测，并且将其检测结果进行准确率分析，研究结果显示其准确率为87.69%。由此得出使用栅栏效应对电力系统信号进行检测过程中虽然能够对其系统的谐波和间谐波进行检测，但是其检测准确率上需要对其进行补充样本的制定，从而满足电力系统检测需求。
二、谐波和间谐波检测关键问题综述
针对当前我国过对频谱泄露和栅栏效应两种检测方式进行研究发现，其在检测过程中受到检测方式和环境因素的影响，会对检测结果造成一定的影响。因此，针对谐波和间谐波检测关键问题研究的文献进行综述。其中黄传金，曹文思，陈铁军，等在其研究中指出对谐波和间谐波进行检测过程中会产生含量小，对频谱泄露的影响敏感度较低的现象，经常产生被谐波所淹没的现象[3]。在其研究中针对这一问题对其使用频域插值法，根据谐波峰值点附近的谱线进行函数测量，从而确定其蚕食指时候满足谐波的参数值。经过实践检测研究发现二者之间存在差异性，负频率部分对正频率部分频谱的影响[3]。由此能够看出，在对电力系统谐波和间谐波进行检测过程中考虑二者产量较小，对频谱泄露影响不敏感的问题。
肖助力，龚仁喜，于槟华，等在其研究中通过利用实践检测的方式对谐波和间谐波检测中存在的问题进行研究，研究结果显示其存在当间谐波数量较多时，频谱之間会产生一定的干扰[3]。在其实验研究过程中利用时域频域结合的方式对其谐波和间谐波检测流程和信号检测周期进行重新确定和分析，分析当谐波数量较多时，频谱之间干扰关系。计算结果显示利用时域频域结合的方式对其进行样本采取能够有效的改善这一问题。综上所述在对谐波和间谐波检测的过程中应该采用合理的样本检测方式从而减低二者之间的干扰关系。
总结：根据本文的研究中得出当前我国对电力系统谐波和间谐波检测方式主要有频谱泄露和栅栏效应另种方式。在使用其进行检测过程中需要对其存在的问题进行处理，从而提高测量的准确性。
【参考文献】
[1]崔晓荣，曹太强，王汇灵.电力系统间谐波检测方法现状与发展趋势[J].电测与仪表，2012，05（01）：6-10.
[2]丛超，胡全义，王慧武.一种基于混沌振子的电力系统谐波检测新方法[J].电力系统保护与控制，2015，15（03）：7-16.
[3]黄传金，曹文思，陈铁军，等.局部均值分解在电力系统间谐波和谐波失真信号检测中的应用[J].电力自动化设备，2013，09（01）：68-73.
电力系统谐波危害的检测和治理 第7篇
1 电力系统谐波危害
(1) 谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗, 降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热, 严重的甚至可能引发火灾。
(2) 谐波会影响电气设备的正常工作, 使电机产生机械振动和噪声等故障, 变压器局部严重过热, 电容器、电缆等设备过热, 绝缘部分老化、变质, 设备寿命缩减, 直至最终损坏。
(3) 谐波会引起电网谐振, 可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍, 会对系统构成重大威胁, 特别是对电容器和与之串联的电抗器, 电网谐振常会使之烧毁。
(4) 谐波会导致继电保护和自动装置误动作, 造成不必要的供电中断和损失。
(5) 谐波会使电气测量仪表计量不准确, 产生计量误差, 给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。
(6) 谐波会对设备附近的通信系统产生干扰, 轻则产生噪声, 降低通信质量;重则导致信息丢失, 使通信系统无法正常工作。
(7) 谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作, 造成数据丢失或死机。
(8) 谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能, 造成噪声干扰和图像紊乱。
2 谐波检测方法
2.1 模拟电路
消除谐波的方法很多, 即有主动型, 又有被动型;既有无源的, 也有有源的, 还有混合型的, 目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其检测环节多采用模拟电路, 因而造价较高, 且由于模拟带通滤波器对频率和温度的变化非常敏感, 故使其基波幅值误差很难控制在10%以内, 严重影响了有源滤波器的控制性能。近年来, 人工神经网络的研究取得了较大进展, 由于神经元有自适应和自学习能力, 且结构简单, 输入输出关系明了, 因此可用神经元替代自适应滤波器, 再用一对与基波频率相同, 相位相差90度的正弦向量作为神经元的输入。由神经元先得到基波电流, 然后检测出应补偿的电流, 从而完成谐波电流的检测。但人工神经网络的硬件目前还是一个比较薄弱的环节, 限制了其应用范围。
2.2 傅立叶变换
利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测, 电力系统的谐波分析, 目前大都是通过该方法实现的, 离散傅立叶变换所需要处理的是经过采样和A/D转换得到的数字信号, 设待测信号为x (t) , 采样间隔为t秒, 采样频率=1/t满足采样定理, 即大于信号最高频率分量的2倍, 则采样信号为x (n t) , 并且采样信号总是有限长度的, 即n=0, 1……N-1。这相当于对无限长的信号做了截断, 因而造成了傅立叶变换的泄露现象, 产生误差。此外, 对于离散傅立叶变换来说, 如果不是整数周期采样, 那么即使信号只含有单一频率, 离散傅立叶变换也不可能求出信号的准确参数, 因而出现栅栏效应。通过加窗可以减小泄露现象的影响。
2.3 小波变换
小波变换已广泛应用于信号分析、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非常突然的信号, 在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下, 可充分发挥小波变换的优势。即对谐波采样离散后, 利用小波变换对数字信号进行处理, 从而实现对谐波的精确测定。小波可以看作是一个双窗函数, 对一信号进行小波变换相当于从这一时频窗内的信息提取信号。对于检测高频信息, 时窗变窄, 可对信号的高频分量做细致的观测;对于分析低频信息, 这时时窗自动变宽, 可对信号的低频分量做概貌分析。所以小波变换具有自动"调焦"性。其次, 小波变换是按频带而不是按频点的方式处理频域信息, 因此信号频率的微小波动不会对处理产生很大的影响, 并不要求对信号进行整周期采样。另外, 由小波变换的时间局部可知, 在信号的局部发生波动时, 不会象傅立叶变换那样把影响扩散到整个频谱, 而只改变当时一小段时间的频谱分布, 因此, 采用小波变换可以跟踪时变和暂态信号。
3 电力系统谐波治理
限于篇幅问题, 本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法, 基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种:
3.1 增加整流变压器二次侧整流的相数
对于带有整流元件的设备, 尽量增加整流的相数或脉动数, 可以较好地消除低次特征谐波, 该措施可减少谐波源产生的谐波含量, 一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一, 其在交流侧所产生的高次谐波为t K 1次谐波, 即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K 1, 如果增加到12脉动时, 其谐波次数为n=12K 1 (其中K为正整数) , 这样就可以消除5、7等次谐波, 因此增加整流的相数或脉动数, 可有效地抑制低次谐波。不过, 这种方法虽然在理论上可以实现, 但是在实际应用中的投资过大, 在技术上对消除谐波并不十分有效, 该方法多用于大容量的整流装置负载。
3.2 整流变压器采用Y/或/Y接线
该方法可抑制3的倍数次的高次谐波, 以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理, 当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时, 其中3的倍数次高次谐波电流无路可通, 所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通 (三相相位一致) , 而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势, 从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致, 只能在形绕组内产生环流, 将能量消耗在绕组的电阻中, 故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出, 三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时, 谐波源产生的3n (n是正整数) 次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流, 不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波, 是抑制高次谐波的最基本方法, 该方法也多用于大容量的整流装置负载。
3.3 尽量选用高功率因数的整流器
采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法, 用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造, 使其尽量不产生谐波, 其电流和电压同相位的组合装置, 这种整流器可以被称为单位功率因数变流器 (UPFC) 。该方法只能在设备设计过程中加以注意, 从而得到实践中的谐波抑制效果。
3.4 整流电路的多重化
整流电路的多重化, 即将多个方波叠加, 以消除次数较低的谐波, 从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多, 波形越接近正弦波, 但其电路也越复杂, 因此该方法一般只用于大容量场合。另外, 该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波, 同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值, 并提高纹波频率。如果把上述方法与PWM技术配合使用, 则会产生很好的谐波抑制效果。该方法用于桥式整流电路中, 以减少输入电流的谐波。
当然, 除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法, 还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法, 它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置 (SVC) 等等, 在此就不再详细论述。
参考文献
[1]电能质量-公用电网谐波GB/T14549-1993.
[2]吕润馀.电力系统高次谐波.[M].北京:中国电力出版社, 1998.
有源电力滤波器对谐波治理的意义 第8篇
关键词：谐波治理,无功补偿,无源滤波器,有源滤波器
谐波 (harmonic wave) , 准确来说, 在电力网电流中含有的频率为基波的整数倍的电量即是谐波。一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解, 其余大于基波频率的电流产生的电量。广义上说, 交流电网中非正弦波中含有的频率与工频相同的分量称为基波, 任何不同于工频频率的分量都可称为谐波。
由于电力电子装备在各行各业的广泛应用, 如今非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量飞速增加, 如在炼钢厂、发电厂、矿山和交通等部门大量使用各种炼钢电弧炉、电力变压器、整流器、变频器、电力换流器、电气化机车运行等设备, 以及生活工作的各种设备例如:电脑、电磁炉、微波炉、节能型灯具、空调等等电气设备应用的大量增加, 这些产生许多谐波电流的非线性负载并注入到电网中, 使电能质量明显下降, 因此谐波给电网和电力用户带来越来越多的危害和影响。
在各种因素对电力系统的造成的影响和危害中, 谐波在其中占的比重越来越大。谐波的危害具体表现在:对于电力系统中的电力网中, 谐波缩短了电力设备的使用寿命、电力网的功耗增加、线路以及电力设备产生过热、线路和设备的保护功能丧失等, 会引起变电站局部的并联或串联谐振, 造成电压互感器灯设备损坏。对于电力变压器来说, 谐波电流使电力变压器的铜消耗量增加, 造成设备振动, 噪声增大, 产生局部过热, 附加绕组的谐波还会引起发热, 电能计量出现失常, 继电保护和自动装置误动作。在电力系统外部谐波也会对载波通信造成一些干扰影响。如语音通信过程中可能出现:产生噪声, 数据传输失真, EMS、DAS实时数据不可靠, 抄表系统中数据不正确等故障。
一、谐波治理的措施
鉴于电力系统谐波的严重危害, 人们开始设法研究谐波抑制的技术。电力系统中谐波治理的方法主要有两种。一是采取主动治理的方式:即从电力网中产生谐波的根源着手, 减少谐波的产生甚至达到不产生谐波。二是被动治理:为了阻止流入到电力网的谐波, 在电力网外部加入各种不同种类的滤波器。被动治理有如下方法。
(一) 使用无源电力滤波器PPF (Passive Power Filter, PPF, PF) 。PPF是由R元件、L元件和C元件按照一定的设计结构组合而成的滤波装置, 也叫做LC滤波器。PPF是最早的被动治理谐波的方法, 也是目前应用比较广泛的滤波方法。因其结构简单、前期投资成本低、可靠性比较高、维护保养费较低等优点。但PPF存在一些难以解决的问题:一是其滤波容易受系统内各种参数的影响, 稳定性差。二是PPF滤除率不是太高, 一般不超过85%。三是滤波、调压需求、无功补偿的要求三者无法同时协调一致, 而且对基波的无功补偿也是有限的。四是系统的阻抗比较小时, 无法达到比较满意的补偿效果。
(二) 使用有源电力滤波器APF (Active Power Finer) 。APF是一种依靠电力电子装置用于滤除大小和频率都动态变化的谐波以及对无功功率进行补的一种新型滤波装置。它的优点是可以克服无源电力滤波器的滤除率不高、无功补偿不够等一些缺点。
APF及其工作原理:由于PPF具有包括上述的一些缺点目前难以解决, 同时随着现在科学技术特别是电力电子技术的日益发展, 人们将滤波技术研究方向从无源滤波器向有源电力滤波器方面转变。与PPF对比, APF具有动作反应灵敏、操控性高、谐波滤除率高、无功补偿细腻等特点, 具体特点如下:一是APF具有较好的隔离特性, 因其输入时阻抗高, 输出时阻抗低。二是APF频率调节方便, 调整容易而且制作起来较简单。三是APF相比于PPF设计起来更灵活, 而且可以获得放大电路对输入信号的放大能力。APF的工作原理如图1所示。
它所需的补偿电流值由控制APF的变流器产生, 发出命令信号以及补偿电流值的大小由电力网中的系统检测设备来完成。最终目的是使得电力网中产生的谐波成分和无功电流和变流器控制产生的补偿电流值大小相等, 方向相反, 彼此相互抵消。等效电路图如图2所示。
从图2中可以得出, 谐波电流可以写为:Ish=ILh-Ich, 如果Ich=ILh成立, 即改变APF的输出电流值大小, 就可以使得谐波电流值的大小Ish=0。
二、国内外对APF的研究现状及发展趋势
把APF作为电力系统中治理谐波的一种比较可行的方案, 最早是从B.M.Bird和J.F.Marsh于1969年发表的论文中提出, 两人在论文中指出, 在电力系统中想要减少电力网中的谐波成分, 可以往其注入三次谐波电流, 使得电流波形得到改善。这一思路可以看成是有源滤波器思想的起源。
美国西屋公司的E.C.Strycula与L.Gyugui在1976年提出了采用脉冲宽度调制技术为基础, 在原理上证明了APF可以作为一个理想的谐波电流发生器, 同时也提出了控制的原理和实现方法。但是直到二十世纪八十年代日本著名学者Hirofumi Akagi、Akira Nabac等人提出了以“三相电路瞬时无功功率理论”为基础的相关检测方法在APF中得到了成功的应用, 很大地促进了APF的发展。
20世纪90年代中期一直到现在, 世界各国对APF研究主要集中在:自适应算法、神经网络算法、遗传算法等算法的改进, 以及并联、串联、混合型拓扑结构的选型和控制方法的优化。
与其他国家相比, 我国在APF方面的研究相对来讲比较滞后, 一直到20世纪90年代前后, 和APF有关的论文文献才在我国出现。我国一些高校和部分研究所才开始从事这方面的研究工作。但即使这样我国对APF的研究仍绕不够深入, 对APF的应用也未大规模推广。不过, 随着电力电子技术的不断发展, APF在我国的应用变得越来越有发展前景。
APF从起源到今天, 已经有四十多年的历史, APF的发展及其应用已经到了一定程度, 从现在国内外对其的研究工作来看, 可以预判在以后的研究热点和发展方向, 主要集中体现在以下几点。
(一) APF混合型结构。有源部分和无源滤波器PPF并联接入电网, 有源电路与PPF滤波器一起运行, 用PPF滤除高次谐波, APF滤除低次谐波, 从而可以增强过滤器的效果, 也可以降低成本, 提高效率。
(二) APF串并联型结构。从接入电网的APF可分为并联型APF和串联型APF, 并联型APF主控制电流输入, 串联型APF的控制电压分布, 两者各有千秋。因此, 使用串联和并联型APF的组合可以集合两种类型的优点, 大大提升过滤性能。
(三) APF的低损耗性和低功耗性。目前, 全世界都在倡导节约能源, 提高能效。很显然, 损耗低, 功率低, 效率高的APF更具有发展空间和市场竞争力。
(四) 安全可靠性。人们使用电气设备的频率越来越高, 可能因电气设备产生人身事故的概率越来越大, 因此具有良好的故障排除技术和安全可靠性能的APF装置必将是大势所趋。
三、结语
电力谐波治理 第9篇
近年来, 随着我国化工行业的蓬勃发展, 化工生产规模不断扩大, 越来越多非线性负荷的应用导致配电系统电源遭受污染, 功率因数低下。目前, 化工行业配电系统中产生谐波的主要设备包括:机泵的变频调速装置、不间断电源装置 (UPS) 、变电所用直流电源成套设备、电动机的软起动设备、新型照明灯具 (节能灯、采用电子镇流器的日光灯) 等。从产生谐波的源头治理谐波, 提高功率因数, 降低谐波水平, 才能够保障生产运行的安全性和经济性。
2 谐波产生的危害
在化工行业中, 由于大量地使用变频调速及电动机软启动设备, 在采用电力电子器件实现变频调速的过程中, 由于电力半导体器件的开关特性, 在其输入和输出侧的电压和电流波形中都会出现波形畸变, 从而产生了大量的谐波。
谐波污染大大增加了电网中发生局部并联或串联谐振的可能, 使谐波电流放大几倍甚至几十倍, 产生过电压或过电流, 对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁, 经常使电容器和电抗器烧毁。谐波使公用电网中的元件产生附加损耗, 降低了发电、输电及用电设备的效率。大量谐波的存在, 不仅使输电和用电设备的效率降低, 而且会使电气设备过热, 导致绝缘老化和使用寿命缩短, 甚至还会对化工电力系统中的继电保护和电力测量等设备带来严重影响, 引起误动作或拒绝动作, 降低继电保护和自动控制装置的可靠性。
由谐波畸变所引起的化工生产中故障频发、过载损坏等现象, 已日渐引起人们的关注, 在化工行业设计初始就应采用增加滤波器等谐波治理措施, 通过现有成熟可靠的电压型电力有源滤波器可以使化工行业谐波治理取得明显效果。
3 电压型有源电力滤波器对谐波的治理
3.1 电压型有源电力滤波器工作原理
如图1所示为系统工作原理图。电压型有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流, 并通过内部DSP计算, 提取出负载电流中的谐波成分, 然后通过PWM信号发送给内部IGBT, 控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等, 方向相反的谐波电流注入到电网中, 达到消谐滤波的目的。
有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成, 电压型有源电力滤波器在工作时对直流侧电容电压控制, 使直流侧电压维持不变, 因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。电压型有源电力滤波器的优点是损耗较少、效率高, 该电流在电感内阻上将产生较大损耗。
指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流, 然后将其反极性作用后发出补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流, 计算出主电路各开关器件的触发脉冲, 此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中就只含有基波的有功分量, 从而达到消除谐波并进行无功补偿的目的。
3.2 电压型有源电力滤波器谐波治理方案
在化工行业, 谐波是由非线性设备产生的, 开关电源是典型的谐波源, 其在工作时具有电流谐波畸变率高、谐波含量大、谐波频谱宽、设备为容性负载、功率因数低等用电特性。当大量的开关电源集中使用时, 会导致中线电流过高、功率因数低、电流谐波畸变率高等现象发生, 从而影响设备正常工作。
如图2所示为现场改造示意图。基于某化工现场的特点, 在厂用段1#和2#变压器后端, 与非线性负载之间各并联1套电压型有源电力滤波器, 通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离, 控制并主动输出电流的大小、频率和相位, 抵销负载中相应电流, 实现了动态跟踪补偿, 既补谐波又补无功和不平衡, 谐波治理取得了很好效果。
3.3 电流在1770A情况下效果测试数据
如图3所示为设备投入前后电压电流波形图, 图4所示为设备投入前后的功率因数数据。
如表1所示为设备投入前后数据统计。
负荷电流为1777A时, 补偿前主要次谐波电流计算:
负荷电流为1777A时, 补偿后主要次谐波电流计算:
主要次谐波电流下降率:
如图5所示为设备投入前后基波波形图, 如表2所示为设备投入前后电压畸变率。
4 结束语
近年来, 变频器因其驱动电机系统节能明显、调节方便等优点被广泛应用于化工电力系统。但同时因其非线性工作方式产生的高次谐波也给化工行业电网系统带来了一定的影响, 其危害已不可忽视。对于电能质量要求越来越严格的今天, 电压型有源电力滤波器是一种特别适合化工行业谐波治理的优秀方案。它能很好抑制电网中的谐波污染, 极大改善电网的电能质量, 良好满足设备的运行要求和国家标准。采用电压型有源电力滤波器作为谐波消除装置的优势越来越明显, 具有很好的推广应用价值。
参考文献
[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:中国电力科技出版社, 1998.
[2]王可亮, 瞿世尊, 陈健.开关电源的设计[J].电子元器件运用, 2004, 6 (3) :17-19.
电力谐波治理 第10篇
近年来, 随着工业自动化和节能减排的不断推进, 变频器在烟草企业的应用越来越广泛。变频器的应用降低了企业能耗, 提高了生产效率, 然而变频器属于典型的非线性负荷, 工作过程中前端整流部分所产生的大量谐波对企业的电网造成一定的污染, 主要表现在以下几个方面[1]:
(1) 谐波使企业电网中的设备产生附加谐波损耗, 增加企业电网线损。
(2) 谐波会产生额外热效应, 从而引起用电设备发热, 使绝缘老化, 降低设备的使用寿命。
(3) 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。
(4) 谐波会引起企业中一些敏感的自动化设备误动作, 同时也会导致电气测量仪表计量不准确。
(5) 谐波会对附近系统的信号传输产生干扰, 轻者引入噪声, 重者导致信号丢失, 使系统无法正常工作。
目前抑制谐波的方法可以分为两种:其一是对非线性负荷本身进行改进, 使其工作时不产生谐波, 如采用各种PWM整流技术等, 但其成本比较高, 不适合工程应用;其二是加入谐波补偿装置, 对非线性负荷产生的谐波进行补偿。传统谐波补偿方式是采用无源滤波器对谐波进行补偿, 其结构简单, 运行和维护经验成熟, 但其补偿特性与系统运行参数密切相关且易与电网发生谐振而导致过载损坏。
并联型有源电力滤波器 (Parallel Active Power Filter, PAPF) 在理论和实际应用方面都得到很大发展。与传统的无源滤波器相比, PAPF可以对频率和幅值都变化的谐波进行补偿, 对补偿对象的变化有极快的响应, 同时它的补偿特性不受电网阻抗影响, 不容易与电网发生谐振[1,2,3]。
本文应用并联型有源电力滤波器对山东中烟工业公司济南卷烟厂空压机所匹配的300kW变频器产生的谐波进行治理, 分析了其工作原理, 并给出了现场运行结果。
1 并联型有源电力滤波器
并联型有源电力滤波器的工作原理如图1所示。负载电流iL由电流互感器采集到指令电流计算电路中, 经过计算得到其中的谐波成分, 以其作为指令, 控制有源电力滤波器产生补偿电流iC, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流等值反相, 从而使网侧电流iS接近正弦[1]。
(1) 控制系统。
图1中的指令电流计算电路和电流跟踪控制电路构成PAPF控制系统。整个控制系统的总体结构如图2所示。其采用数模混合的控制方式, 其中指令计算电路由以DSP (TMS320F2812) 为核心的数字电路实现, 这样可以免受温飘及元件老化的影响, 提高系统的稳定性, 便于系统升级, 并且有利于采用一些复杂控制方法, 可以方便地实现对指定次谐波的补偿。
电流跟踪控制电路则由模拟电路实现, 采用三角波比较的跟踪型PWM控制。同时通过三角载波的移相 (移相180°) 达到二重化的目的。三角波比较的控制方式可以使输出PWM信号的开关频率固定 (等于三角载波的频率) , 这样有利于输出端高频滤波器的设计, 从而可以很好地滤除开关纹波。为了实现各个变流器模块间的均流, 将补偿电流指令均分后作为各变流器模块的给定。
图2所示的PAPF控制系统中, 谐波电流检测采用的是基于离散傅立叶变换的检测方法, 它能方便地检测出负载电流中的基波以及各次谐波成分。
设x (n) 是一个长度为N的有限长序列, 则定义x (n) 的N点离散傅立叶变换为:
X (k) =DFTundefined
X (k) 的离散傅立叶逆变换为:
undefined
式中undefined称为DFT变换区间长度。通常称式 (1) 、 (2) 为离散傅立叶变换对。由式 (1) 、 (2) 可知, DFT对一个k值进行运算, 就可以计算出负载电流中的基波分量或任一个指定的谐波分量。
如果要求PAPF补偿负载电流中所有的谐波分量, 则只需通过式 (1) 、 (2) 计算出负载电流中的基波分量, 然后用负载电流信号减去其中的基波分量即可得到负载电流中的谐波指令信号。如果要求PAPF对负载电流中的某几次谐波分量进行补偿, 则需通过式 (1) 、 (2) 分别计算出负载电流中需补偿次的谐波分量, 然后将其相加作为谐波指令信号。
(2) 主电路。
并联型有源电力滤波器的主电路结构如图3所示。本文采用了二重化的主电路方案, 以增加PAPF的容量。两组三相电压型PWM 变流器模块经过各自的进线电感后并联, 而公用一组直流电容器。在提高有源电力滤波器容量的同时, 使其等效开关频率达到各变流器模块开关频率的2倍, 从而使有源电力滤波器在实际开关频率较低的情况下仍能获得良好的补偿效果[4,5,6]。
2 现场谐波治理方案及效果
山东中烟工业公司济南卷烟厂在技术改造过程中采用了变频式空压机, 空压机匹配了300kW的变频器。其工作过程中前端整流部分所产生的大量谐波导致厂内动力部分出现了变压器温度过高、噪音增大、信号波动、通讯中断等故障现象, 对生产造成一定的影响。本文采用并联型有源电力滤波器对空压机变频器进行谐波就地补偿, 如图4所示。
PAPF投入前空压机变频器配电支路的电压电流波形及电流的频谱分析如图5所示。
将图5 (b) 用数据表格的形式表示, PAPF投入前空压机变频器配电支路的谐波电流含量如表1所示。
PAPF投入后空压机变频器配电支路的电压电流波形及电流的频谱分析如图6所示。
将图6 (b) 用数据表格的形式表示, PAPF投入后空压机变频器配电支路的谐波电流含量如表2所示。
对比表1、表2可以看出, PAPF投入后空压机变频器配电支路的5～23次特征谐波基本被滤除, PAPF达到了理想的谐波补偿效果。
3 结论
应用并联型有源电力滤波器对山东中烟工业公司济南卷烟厂空压机变频器所产生的谐波进行补偿, 现场实测的数据表明:并联型有源电力滤波器投入前, 空压机变频器配电支路的输入电流为316A, 畸变率为34.1%;并联型有源电力滤波器投入后, 空压机变频器配电支路的输入电流下降为296.6A, 畸变率下降为6.2%。由此可见PAPF不仅具有理想的谐波补偿效果, 而且使空压机运行时的电流降低了20A左右, 具有良好的节能效果。
摘要：针对山东中烟工业公司济南卷烟厂空压机变频器工作时产生的谐波电流导致厂内动力部分出现变压器温度过高、噪音增大、信号波动、通讯中断等故障现象, 采用并联型有源电力滤波器进行谐波治理。对并联型有源电力滤波器的控制系统和主电路进行了介绍, 给出现场谐波治理的方案。通过该滤波器现场运行效果表明, 并联型有源电力滤波器具有理想的谐波补偿效果, 同时降低了空压机运行的电流, 实现节能降耗。
关键词：变频器,谐波,并联型有源电力滤波器,节能
参考文献
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电力推进船舶电网的谐波抑制 第11篇
1 前言
舰船综合电力推进系统是指由共同的发电机组产生大功率的电力，同时满足舰船所有负荷—推进系统、日用负载、传感器系统以及舰载武器等。它将船舶发电与推进用电、舰载设备用电集成在统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制。这种全新的推进系统与传统的机械推进方式相比，具有噪音低、调速性能好、效率高、可靠性好、重量体积小、布置灵活等优点。
目前综合电力推进系统普遍采用大功率的变频器等非线性负载，在变频器工作时会产生谐波失真（THD）并分布到电网中，形成严重的谐波污染。谐波失真是相对于正弦电压或正弦电流波形的偏差，CCS和DNV规范及GJB等对谐波都有明确的指标要求。
根据CCS《钢质海船入级规范》（2012），电压波形的总谐波失真（THD）为所含谐波的均方分根值与基波的均方根值之比（以百分比数表示），可用下式计算：
式中：VTHD——总的谐波电压失真；
Vh——h阶谐波电压的均方根值；
V1——基波电压的均方根植；
CCS《钢质海船入级规范》（2012）规定供电电源的电压谐波（THD）成分不大于5%；DNV规范规定，配电系统中的电压谐波（THD）成分不大于5%；《舰船通用规范3组电力系统》中将交流电力品质特性参数规定为：对于船舶电力系统，正弦波形畸变率在5%之内，最大的单次谐波含量为3%。
2 谐波的危害
电力推进系统中的谐波会污染连接到同一个电网上的电容器、电抗器、变压器、电缆、电机，从而产生各类故障。谐波对船舶电力系统和其他用电设备危害，主要表现在以下几个方面：
（1）引起谐振和谐波电流放大
对谐波频率而言，系统的感抗会大大增加而容抗大大减少，可能产生并联谐振或串联谐振。这些谐振会使谐波电流放大几倍、十几倍甚至几十倍，对系统特别是对电容和与之串联的电抗器形成很大的的威胁，常使电容器和电抗器烧毁。
（2）对电机的影响
谐波会引起电机附加损耗，使之发热达不到额定功率，损耗随着谐波成分增加而增加。同时，谐波会使电机产生机械振动，使其局部过热、绝缘老化，缩短使用寿命甚至损坏。
（3）对配电系统的影响
谐波电流一方面在供配电线路上产生谐波电压降；另一方面，增加了线路上电流有效值从而引起附加输电损耗。配电电缆的电场强度随着谐波电压的最大值升高而增强，这就影响了电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。高次谐波可能在船舶电力系统中发生电压谐振，在线路上引起过电压，可能击穿电缆、导线及设备的绝缘，引起重大事故。
（4）对计算机、通信系统的干扰
谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导三种方式影响计算机、通信系统，载频低的信号受影响更大。谐波会对测量、保护、控制、操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。谐波对计算机的干扰，主要是影响磁性元件和数据处理系统的精度和性能，从而影响计算机处理数据的质量。谐波还使电缆在电流传输过程中产生电磁干扰，干扰船上的敏感电子器件。
（5）对继电器和控制电路的影响
谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。
3 谐波的抑制
谐波抑制的目的是采取一定的办法将谐波减小至标准、规范允许的范围之内，以保证船舶电网及用电设备的安全经济运行。
3.1 变频器的选用与谐波的抑制
推进电动机的变频器是大型船舶电力系统谐波的主要来源，变频器的配置直接影响到电网的谐波指标。在设计时要根据船舶的电站容量和推进、配电等设备配置情况，计算各种工况下该船的THD谐波分析或进行仿真，选用合适的变频技术方案，如：PMW（脉宽调频）、PAM（脉冲幅度调频）方式，或选择6脉冲、12脉冲、虚拟24脉冲或纯24脉冲等。
变频器有电压型交-直-交变频器和电流型交-直-交变频器，通用型变频器大都为电压型交-直-交变频器。6脉冲变频器是最基本的类型，应用非常广泛。目前发展出12脉冲变频装置、虚拟24脉冲、纯24脉冲变频装置等。与6脉冲变频装置相比，12脉冲变频装置具有系统响应快、谐波量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。如今在很多大容量、高压的场合，6脉冲变频器已无法达到要求。
目前多采用12脉冲变频器,整流脉冲数越多,其整流输出的脉动频率越高、脉动周期越短、脉动的幅值越小、输出的电压越高,也就越接近交流电压的峰值。
6脉冲变频器的波形如图1示意；12脉冲变频器的波形如图2示意。
图1 6脉波晶闸管整流电路输入波形
图2 12脉波晶闸管整流电路输入波形
这种整流电路的优点是把整流电路的脉波数由6提高到12，从而大大改善了输入电流波形（见图2），降低输入谐波电流，总谐波电流失真约10%左右。虽然12脉波整流电路的谐波电流大大下降，但还不能达到规范规定的总谐波失真小于5%的要求，虚拟24脉冲和24脉冲变频器的总谐波失真（THD）才能满足要求。24脉冲变频器一般是由两个并联的12脉冲变频器组成，由于要多一倍的整流逆变单元及移相变压器，故总的设备重量和体积显著增加，价格也较贵。
目前比较经济的技术手段是采用虚拟24脉冲方案，图3为虚拟24脉冲的典型原理图。图中将虚拟24脉冲分为A部分（T1、C1、M1）和B（T2、C2、M2）部分，每部分单独来看都是12脉冲系统，当他们同时工作时即母联开关闭合时，可组成虚拟24脉冲系统，减少主供电回路的谐波量，可保证电网的总电压谐波含量不大于5%，最大单次电压谐波不大于3%。
图3 虚拟24脉冲典型原理图
3.2 有源滤波器的应用
传统的滤波手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但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。此外，这种补偿方法损耗大，且只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。
近年来发展迅速的一种抑制谐波方案是采用有源滤波器（APF），它是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。其基本原理是以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，见图4。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，实现了动态跟踪补偿。
图4 有源电力滤波装置的工作原理图
有源滤波器（APF）最大的优点是：大幅度较少谐波，几乎无谐波污染，可以将能量反馈到电网，达到节能的目的。在对电网质量要求非常高的场合，APF具有很高效的使用价值。在具有较大转动惯量的变频调速系统中，既能提高系统的制动性能，又能达到节能的目的。
4 变频电缆的选用及敷设
由于船舶电网存在谐波的原因，连接电力推进电机和推进变频器、推进变压器的电缆，在电流传输过程中会产生电磁干扰，这对船上的电子通信系统会严重干扰，同时外界电磁波也可能对其进行干扰。为了抑制电磁干扰，减少整个船舶电网中的电磁辐射，同时提高电缆自身的抗干扰能力，故需采用专用的变频电力电缆。
变频电力电缆屏蔽由分相屏蔽和总屏蔽构成：分相屏蔽一般采用铜带、铜丝编织、铜丝铜带组合或铝塑复合带纵包；总屏蔽可采用铜丝铜带组合屏蔽、铜丝编织屏蔽、铜带屏蔽、铜丝编织铜带屏蔽等。总屏蔽+铝塑复合带屏蔽能提供100%覆盖，此结构的屏蔽电缆可抗电磁感应、接地不良和电源线传导干扰，减小电感，防止感应电动势过大。屏蔽层既起到抑制电磁波对外发射的作用，又可作为短路电流的通道，能起到中性线芯的保护作用。
变频电力电缆均需采用对称电缆结构，对称电缆结构有3芯和3+3芯两种。对称电缆结构有更好的电磁兼容性，对抑制电磁干扰起到一定的作用，能抵消高次谐彼中的奇次频率，提高了抗干扰性，减少了整个系统中的电磁辐射。
变频电力电缆为了防止脉冲电压对绝缘的影响，一般选用交联绝缘，选择实心绝缘而不是选择绕包绝缘，对于电缆护套材料无特殊要求。
5 施工工艺的注意事项
（1）采取合理的电缆敷设工艺
船上的各类电缆分类分束敷设，相互间距离一般在50 mm以上。其中变频电力电缆要单独敷设，距离其他类电缆应≥200 mm。
（2）电缆连接及接地
在变频电力电缆两端点做好内、外屏蔽的接地处理，电缆屏蔽层要可靠接到PE点上，接地尽可能采用单独的接地线。
为防止谐波电磁干扰对自动化系统及电子通信系统的影响，可对船上的电缆采取以下接地工艺：①对于单芯电缆，只在电源端接地；②对于RS485/RS422等串口通信信号，可采用双屏蔽电缆，对绞线内屏蔽在电源端接地；③对于模拟量或脉冲信号，可采用双屏蔽电缆，对绞线内屏蔽在电源端接地；④其他电缆两端接地。
（3）EMC电磁兼容工艺处理
为了保护船上敏感的电子设备免受电磁干扰危害，可采取对电子设备外壳地、数字地多点接地的措施，以确保设备的屏蔽效能。对船上电子、通信导航设备比较集中的舱室确定电磁屏蔽房间，如变频器间、报务室、雷达室、计算机室等，要求所有金属舱壁、地板、顶板和门窗形成一个连续的导电面，其面上任何两点的直流电阻不大于10mΩ。电缆穿过电磁屏蔽室要采用屏蔽接地工艺。
（4）变频器的布置
变频器在船上的布置一是要考虑对变频器的保护，选择安装在恒温舱室，振动小、散热、通风佳；二是要考虑设置单独的推进变频器间，变频器间需远离敏感电子设备集中区域，同时为了减少变频电缆拉敷距离，选择距推进电机尽量近的区域。
6 结语
对于谐波抑制，优先选用虚拟24脉冲方案或24脉冲方案，可以主动抑制谐波，从根本上减少谐波；当谐波超出规范要求时，可选用有源滤波器，但要考虑经济承受能力；选用变频电力电缆及采用合理的电缆敷设工艺及接地工艺，可以减少谐波对电网及船上的电器、电子设备及计算机控制系统的损害；通过采用合理的设备选型及设计，并采用科学的施工工艺，能有效的控制船舶电网中的谐波。
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基于谐波小波的电力系统谐波分析 第12篇
由于电力系统中大量非线性设备的存在,导致它们在工作时不仅会产生基波频率的整数次谐波,还可能产生基波频率的非整次谐波,即间谐波,这会对电能造成严重的污染,增加能量损失,威胁电力设备的安全运行[1,2,3,4]。因此,谐波和间谐波的分析对于电力系统的监控与保护都具有十分重要的意义。
传统的正交小波包变换在电力系统谐波分析与检测中有着广泛的应用。但是由于小波包变换固有的性质,如小波包变换的混叠现象比小波变换的混叠现象更为直观形象,其影响也比小波变换严重,这主要是由于分解滤波器之间存在频带混叠现象,小波频谱的起始频率和截止频率之间存在过渡带[5]。谐波小波变换是一种基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)及其逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)的快速算法,在数值上容易实现,其算法快,精度高,具有很好的工程实用价值[6,7,8]。通常的小波算法(如Mallat算法,Daubechies小波)在分解信号时要隔二取一,从而使得在小波分解时各层的数据点数和采样频率随尺度的增加逐渐减小。谐波小波相对于传统的小波函数而言,具有更普遍意义上的正交性以及优异的视频分解能力,其明显优势就是信号任意频段的“细化”能力,虽然它在时域中的局部化能力一般,但在频域分析中对精度有特殊要求的场合,这种优势就非常符合需求[9,10]。
1 谐波小波分析
1.1 经典谐波小波
设时域函数he(t)和ho(t)的傅里叶变换所对应的频域函数为
式中:下标e和o分别表示该函数是变量ω的偶函数和奇函数。
将频域函数
将时域函数he(t)和ho(t)组成复合函数h(t),可得:
由此定义的复合函数h(t)称为谐波小波函数,亦称为经典谐波小波或二进谐波小波,其实部he(t)和虚部ho(t)的波形如图1所示。
由图1可以看出,谐波小波h(t)是由相差90°的实部偶小波和虚部奇小波构成。虚部奇小波所构成的滤波器都是零相移滤波器,具有锁定信号相位的功能。它在时域上的衰减速度较慢(与时间t成反比),导致其时域局部化特性较弱。
为了获得谐波小波h(t)的二进伸缩平移系,令:
式中:j为非负整数;k为整数。
把式(5)代入式(4),可得:
在式(6)中,小波的形状没有改变,只是在水平尺度上被压缩了2j,并且位置在新的尺度上被平移了k个单位,这与二进小波变换的形式是一致的。其j值决定谐波小波的尺度或层数。例如当j=0时,谐波小波的傅里叶变换位于[2π,4π]频带中;若在第j层时,则谐波小波的傅里叶变换位于[2j+1π,2j+2π]频带之间。即随着j值的增大,其频谱的带宽以二进方式逐渐加大。谐波小波对信号的分解从低频到高频是以2倍的关系逐渐增加的,它对信号的低频部分划分比较细,而对信号的高频部分划分比较粗,这说明经典谐波小波分解也属于二进小波分解的范畴。
1.2 谐波小波的改进
为了使分析频带的选取更为灵活,不受二进方式的限制,对经典谐波小波加以改进,拓宽谐波小波的概念及应用范围。引入正整数m=2j,n=2j+1(m<n),把m,n代入式(4),并通过伸缩平移生成的谐波小波族为:
其频域表达式为:
由式(7)可以看出,实际上m,n既可以取正整数,也可以取负整数,这样它们之间就不必满足n=2m这一条件的限制(二进限制),只要保证m<n即可,这就使得谐波小波在分析频带的选取上具有更大的灵活性。这就是改进的谐波小波相对于经典谐波小波的一个明显优势。
若给定谐波小波的位移步长为k/(n-m),k为整数,对式(7)进行平移变换可得:
其频域表达式为:
由此可见,式(10)是分析频率带宽为(n-m)2π,分析时间中心在t=k/(n-m)处的谐波小波一般表达式。文献[12]证明了谐波小波族Ψm,n(t)是一个正交的解析信号,它构成了空间L2(R)的一组正交基[13]。
1.3 谐波小波包
由式(9)可知,谐波小波的关键在于尺度参数m,n的选取。令信号的奈奎斯特频率为fs,则第j(j为非负整数)层各小波的分析频率带宽为:
这样可以设定分析频带的上、下限频率分别为:
随着分解层数j的逐渐增大,可以体现出谐波小波包对信号任意频段的“细化”能力。如果要对信号的某一频段进行重点分析,则先由式(11)确定信号的分解层数j,再由式(12)确定所要分析频带的上、下限频率,也就是定义谐波小波的尺度参数m,n。
由于谐波小波没有尺度函数,因此谐波小波包的思想与传统的小波包理论有所不同,不能采用正交滤波器组对信号进行频带分解[14]。由式(9)可知,谐波小波具有可调的尺度参数m,n,对在不同频带的信号进行分解时采用不同的m,n,这样就可以将谐波小波良好的滤波效果应用到谐波小波包的分析中。信号经过小波包分解后,在各个频带中的信号仍具有与原始信号相同的频率分辨率,而且分解后信号的数据长度并没有减少,这克服了Mallat算法的小波包分解带来数据长度减少的问题。由于小波滤波器不具有理想“盒形”的频谱特性,起始频率和截止频率之间存在过渡带,这导致在信号的分解过程中往往会发生频带间的能量冗余,造成误差,而谐波小波包滤波器则完全可以克服以上问题。具体方法是首先得到待分析信号的频谱,确定谱线的频点数值,然后根据预设的窗宽来确定尺度参数。
2 谐波小波变换及算法
2.1 谐波小波变换
根据小波变换的定义,对某一尺度的小波函数Ψm,n(t),信号x(t)∈L2(R)的小波变换可表示为[15]:
信号x(t)的谐波小波变换为:
对式(14)进行Fourier变换,可得:
式(14)和式(15)分别称作信号x(t)在m,n尺度下的时域和频域的谐波小波变换表达式。
对于离散信号序列x(r),r=0,1,2,…,N-1,其谐波小波变换为:
由式(13)～式(16)可以看出,信号的谐波小波变换非常简洁,容易实现。同时,由于谐波小波对信号各次谐波分量的相位有保持功能,所以对信号进行谐波小波分解后,也可以对信号进行重构,从而实现信号的滤波和降噪。
2.2 谐波小波算法
首先对谐波源信号x(t)进行FFT运算,对变换得到的结果
3 仿真实验与结果分析
为了更好地验证谐波小波算法在电力系统谐波与间谐波分析中的有效性,进行如下的仿真实验。
设电网中的谐波源信号为:
式中:基波频率为50 Hz,并且含有3,5,7,9次谐波和频率为75 Hz(基波频率的1.5倍)的间谐波共6个频率分量以及随机噪声e(t),具体的参数设置如表1所示。
设采样频率fs=1 250 Hz,采样点数N=1 024。利用谐波小波变换(Harmonic Wavelet Transform,HWT)对谐波源信号u(t)进行分解,通过Matlab仿真得到分解后各频率分量的波形如图3所示。
由图3可以看出,谐波源中的各次谐波和间谐波分量被分解到了不同的频带中,这表明利用谐波小波算法来实现电力系统谐波和间谐波信号的分离是完全有效的。下一步需要对分解出的各个频带分量进行参数提取,以计算出各次谐波的频率和幅值。
最小二乘法拟合是一个基于全局观念的拟合方法,针对某一样本数据集合,利用该方法可以求得该集合中的主流趋势。利用最小二乘法对6个频带内的谐波和间谐波分量进行拟合,并且定义频率和幅度的误差率分别为:
其计算结果如表2所示。
由表2可以看出,利用HWT法分解并拟合出的各次谐波频率的误差率在10-4数量级,幅度的误差率在10-2数量级,完全符合谐波分析的精度要求。由此可见,HWT法在谐波频率和幅值的检测中具有非常明显的优势。
4 结 语
将谐波小波引入电力系统的谐波分析中,首先阐述了经典谐波小波及其改进及谐波小波包的概念,接着利用推导出的谐波小波算法对电网中的谐波源信号进行谐波参数提取。仿真结果表明,谐波小波变换可以快速有效地对电力系统中的电压谐波以及间谐波进行检测,并能准确地分解出各次谐波分量。可以预计,随着谐波小波理论的不断发展和完善,谐波小波变换必将在电力系统间的谐波分析中发挥更大作用。
摘要：电力系统中的谐波对电网危害巨大,对其进行监测和分析就显得非常重要。在谐波小波以及谐波小波包的基础上,提出谐波小波变换的表达式以及谐波小波算法,给出电力系统谐波分析的仿真示例。仿真结果表明,利用谐波小波变换分解,并通过最小二乘法拟合出的各次谐波频率和幅度的误差率完全符合谐波分析的精度要求。在电力系统谐波的分析中,谐波小波算法具有其他算法无可比拟的优越性。
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