電力電子技術(shù)與諧波抑制

　　電力電子技術(shù)與諧波抑制

　　摘 要 本文闡述了電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了諧波污染的危害以及抑制措施，并介紹了無功問題和諧波治理中一些新的技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞 諧波抑制電力電子技術(shù)諧波治理

　　1 諧波的產(chǎn)生和影響

　　1.1 諧波與無功功率的產(chǎn)生

　　在用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占了很大一部分，阻感負(fù)載要正常的工作就要吸收無功功率。

　　而這些裝置中交流側(cè)的電流會因?yàn)槭褂昧讼嗫胤绞蕉鴾�后于電壓，也就產(chǎn)生了大量的諧波電流。

　　即使一些交流側(cè)電壓電流基本相同的裝置，但是電流波形的畸變，也會產(chǎn)生諧波電流，導(dǎo)致無功功率被消耗。

　　純正弦交流電路中，定義了三種功率，它們的表達(dá)式為(P是有功功率，Q是無功功率，S是視在功率)：

　　P=UIcosφ

　　Q= UIsinφ

　　S=UI

　　三種功率滿足關(guān)系式：

　　S2=P2+Q2

　　有功功率P的表示交流平均功率;視在功率S在工程上表示為電氣設(shè)備功率中設(shè)計(jì)的極限值，它當(dāng)中的額定電流由銅耗和導(dǎo)線的截面積決定;無功功率表示的則是含有儲能元件的電路中的一種功率互換的幅度，單相電路與三相電路之間又有一些不同。

　　在非正弦交流電路中，有功功率和視在功率可以分別表示成：

　　其中，Un和In分別代表基波和諧波中電壓、電流的分別的有效值。

　　按照純正弦電路的模式，可以給非正弦電路的無功功率做一個(gè)定義：

　　在這里，Q雖然反應(yīng)能量的流動交換，但卻不體現(xiàn)其的消耗情況。

　　公用電網(wǎng)的電壓，波形穩(wěn)定，畸變很小，而電流的畸變可能卻很大，所以在研究過程中，可以將各個(gè)功率可以用以下公式表示：

　　其中，Qf和D分別表示基波電流和諧波電流產(chǎn)生的無功功率。

　　功率因素可以表示成：

　　在這個(gè)式子中，u=I1/I是叫波形畸變因數(shù)，cosφ1則被稱為位移因數(shù)或功率因數(shù)。

　　可以看出，功率因數(shù)在非正弦電流電路中除了與基波電流相關(guān)，還與諧波大小有關(guān)系。

　　所以，電路中的諧波，會使得無功功率增大，從而使功率因數(shù)變低，導(dǎo)致電氣容量的可利用率下滑，從而損害電網(wǎng)。

　　1.2 諧波對電網(wǎng)的影響

　　1)諧波的產(chǎn)生，會使電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，從而降低供配電以及用電設(shè)備的功率。

　　2)諧波引起的過電壓、過電流將會使變壓器產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，這樣一來，設(shè)備容易老化，使用壽命縮短而且還會損壞。

　　3)諧波會到這繼電保護(hù)裝置的誤操作，是一些測量儀表失效或測量不準(zhǔn)確。

　　4)諧波會在公用電網(wǎng)中引發(fā)并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，極易造成安全隱患。

　　5)諧波的產(chǎn)生，對近處的通信裝置產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，造成一些額外損失。

　　2 對諧波抑制技術(shù)的研究

　　各國在電力技術(shù)方面都制定了一些法規(guī)或措施來將諧波抑制控制在允許范圍，對諧波和諧波電流的合成方法進(jìn)行了明確說明，為了滿足這些要求，要采用一些方法來抑制諧波以及對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

　　2.1 安裝諧波補(bǔ)償裝置

　　2.1.1 無源濾波器

　　無源電力濾波器(PPF)在諧波抑制中有很大優(yōu)勢，初期投資比較小，運(yùn)行效率高，它主要利用電子元件的諧振特性，使得電感或電容在阻抗分流回路中形成低阻抗，但體積大，材料消耗多等，也是它的缺點(diǎn)。

　　2.1.2 有源濾波器

　　有源濾波器(APF)與無源濾波器(PPF)相比而言，它能在補(bǔ)償各次諧波的同時(shí)，還能調(diào)節(jié)三相不平衡電壓和抑制閃變;并且它能夠?qū)�動態(tài)的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，達(dá)到自適應(yīng)的效果;濾波特性也不受頻率與阻抗影響。

　　因?yàn)閮?yōu)勢明顯，APF技術(shù)也是治理電網(wǎng)污染中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對它的研究比較廣泛。

　　根據(jù)使用場合分，可分為有源直流和有源交流兩類;根據(jù)逆變電路儲能元件來分，分為電流型與電壓型濾波裝置，如圖1所示：a)為電壓型。

　　b)為電流型。

　　電壓型效率高，可任意并聯(lián)擴(kuò)容，適用于電網(wǎng)級的諧波補(bǔ)償，且技術(shù)相對成熟，目前使用廣泛;電流型結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，不適用大容量系統(tǒng)。

　　通過接入電網(wǎng)的方式來分，還可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型。

　　并聯(lián)型的APF，主要功能是消除負(fù)載引起的諧波電流，優(yōu)勢是可以多臺并聯(lián)使用，適用于多種容量場合;串聯(lián)型APF，是通過向電網(wǎng)中加入或減去一個(gè)瞬時(shí)電壓，使負(fù)載側(cè)電壓維持一個(gè)純正弦波，這種方式使串聯(lián)型在電壓敏感性負(fù)載中非常適合，但它負(fù)載電流過大，體積較大，沒有并聯(lián)型使用廣泛。

　　有源濾波器的控制策略是濾波技術(shù)中最重要的部分，包括直流側(cè)電容電壓控制、輸出電流跟蹤控制，一般來說又可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制，目前主要采用閉環(huán)控制技術(shù)，它補(bǔ)償效果較好。

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　　電力電子技術(shù)與諧波抑制、無功功率補(bǔ)償技術(shù)研究

　　為了進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保電力輸送的高效性，本文通過對配電系統(tǒng)中諧波和無功功率進(jìn)行簡要分析，在結(jié)合無功功率與諧波對電力系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，對電子電力技術(shù)以及無功功率補(bǔ)償和諧波抑制的現(xiàn)狀展開了詳細(xì)的論述和分析，從　　電力電子技術(shù) 諧波抑制 無功功率

　　電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅能夠提高系統(tǒng)的輸電能力，而且還可以在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)，改善輸電質(zhì)量，提高電力輸送的靈活性和穩(wěn)定性。

　　但在電力電子技術(shù)得以應(yīng)用的同時(shí)，其相關(guān)設(shè)備也成為了電力系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中的諧波源，并在運(yùn)行過程中對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行消耗，從而對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

　　因此，加強(qiáng)對諧波問題和無功功率損耗問題解決方法的研究力度，已成為電力生產(chǎn)、輸送領(lǐng)域需要面對和解決的主要問題。

　　1 配電系統(tǒng)中諧波與無功功率概述

　　對配電系統(tǒng)中的水泵異步電機(jī)和熒光燈與支撐計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行等負(fù)載進(jìn)行分析可知，其必須消耗系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率方能實(shí)現(xiàn)正常工作。

　　但變頻器、整流器等電力電子裝置通常采用的是相控方式工作的，這種控制方式使得此類設(shè)備的交流側(cè)電壓常滯后于系統(tǒng)運(yùn)行電壓，其不僅會消耗大量的無功功率，而且在運(yùn)行的同時(shí)還會產(chǎn)生諧波電流，從而影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　給出有功功率P、無功功率Q和視在功率S三者的關(guān)系式：

　　S2=P2+Q2 (1)

　　其中，P為系統(tǒng)瞬時(shí)功率在單位周波中積分得平均值，即系統(tǒng)交流平均功率，S為各類電器設(shè)備的最大可利用容量，具體來說就是電壓U和電流I的有效值乘積，分別由設(shè)備的絕緣性和導(dǎo)線橫截面積決定;Q表示具備儲能性質(zhì)的電氣元件功率交換的幅度，通常單相電路功率互換大都發(fā)生在儲能設(shè)備和電源中，而三相電路功率互換則以在具有儲能性質(zhì)的三相設(shè)備中的往復(fù)流動為主，需要說明的是任意時(shí)刻內(nèi)，三相無功功率的和恒定為零。

　　2 無功功率和諧波對電力系統(tǒng)的影響

　　2.1 無功功率對電力系統(tǒng)的影響

　　(1)無功功率的加將會使得供電設(shè)備的視在功率S增加，同時(shí)，也會引發(fā)啟動設(shè)備、控制設(shè)備和儀表等測量設(shè)備的尺寸與規(guī)格擴(kuò)增;

　　(2)無功功率的增加必將使得電力系統(tǒng)設(shè)備與線路損耗更加嚴(yán)重，縮短電氣設(shè)備壽命;

　　(3)無功功率增加將會引發(fā)變壓器與線路壓降的擴(kuò)大，從而使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　2.2 諧波的主要危害

　　(1)變頻器和整流器等所產(chǎn)生的諧波將引起電氣設(shè)備附加諧波的損耗，同時(shí)，使得供配電設(shè)備的工作效率下降;

　　(2)諧波對各類電氣設(shè)備的影響也較為嚴(yán)重，例如，引起系統(tǒng)的過電流和過電壓，從而增加變壓器的負(fù)擔(dān)，引發(fā)電纜過熱和絕緣裝置老化;

　　(3)諧波的另一危害體現(xiàn)在對公用電網(wǎng)的影響上，由于電網(wǎng)中的電流大都是以正弦的形式存在的，而諧波的產(chǎn)生會導(dǎo)致非正弦電流電路的功率因數(shù)增加，從而在電場中產(chǎn)生非正弦電流，導(dǎo)致公用電網(wǎng)的局部諧波被進(jìn)一步放大，甚至將會導(dǎo)致串、并聯(lián)諧振，增加電力設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　3 電子電力技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　由于電子電力技術(shù)在無功功率補(bǔ)償和諧波抑制方面具有較為鮮明的作用，故對電子電力技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了解是極為必要的。

　　3.1 高壓直流輸電技術(shù)――HVDC

　　此項(xiàng)技術(shù)對容量較大且距離較遠(yuǎn)的電力傳輸工作而言具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

　　由于在輸電過程中，基于HVDC技術(shù)輸電時(shí)產(chǎn)生的電能損耗要遠(yuǎn)低于以傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)為主所產(chǎn)生的電能損耗，且HVDC在支持電力傳輸時(shí)所需的傳輸線纜更少，在減少占地的同時(shí)，也省去了傳統(tǒng)交直流輸電轉(zhuǎn)化所需的特殊設(shè)備，故而在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)具備良好的經(jīng)濟(jì)性。

　　現(xiàn)階段，全球HVDC工程擁有50余個(gè)，技術(shù)支持的總設(shè)備容量達(dá)到了3.6×104MW，考慮到我國的地域遼闊且能源分布不均等情況，加大對HCDC技術(shù)的研發(fā)和投入力度極為必要。

　　3.2 靜止無功補(bǔ)償器――SVC

　　將以晶閘管為基礎(chǔ)元件的固態(tài)開關(guān)取代原有的機(jī)械開關(guān)，通過對抗電器與電容器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)快速且頻繁地對輸電系統(tǒng)導(dǎo)納功能進(jìn)行改變的目的。

　　通常，SVC由固定或可變電容器支路同系統(tǒng)中的可控支路并聯(lián)組成，分為TCR、TCT以及TSC和SSR四種類型，其中，TCR型SVC的反應(yīng)速度最快，可達(dá)5-20ms，且不僅運(yùn)行可靠，而且在分相調(diào)節(jié)和價(jià)格與使用范圍方面也具有較大的優(yōu)勢。

　　目前，全球已擁有220余套配置SVC的輸配電系統(tǒng)，總?cè)萘恳堰_(dá)到3.5×104var，隨著SVR優(yōu)勢的進(jìn)一步普及，其在輸配電領(lǐng)域和工業(yè)用電方面必將得到全面的發(fā)展和推廣。

　　4 無功功率補(bǔ)償與諧波抑制現(xiàn)狀

　　電力系統(tǒng)中的無功功率補(bǔ)償方法主要包括了同步發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、電動機(jī)的引用補(bǔ)償和并聯(lián)電容器與SVC補(bǔ)償，由于多數(shù)工程供電系統(tǒng)中，阻感性負(fù)載占據(jù)絕大部分，使得總等效負(fù)載呈現(xiàn)感性，故而可采用并聯(lián)電容器的方式對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高功率因數(shù)。

　　根據(jù)電容器在系統(tǒng)中安裝位置的差異，其并聯(lián)補(bǔ)償方式主要包括以下幾種：

　　(1)將電容器組集中安置在電源母線上，從整體上提高變電裝置的功率因數(shù)，降低饋出線路的無功損耗。

　　(2)分區(qū)補(bǔ)償。

　　在功率因數(shù)較低區(qū)域的母線上分別裝置電容器組，以此來增強(qiáng)無功功率補(bǔ)償?shù)男Ч�，但缺點(diǎn)是同集中補(bǔ)償相比，分區(qū)補(bǔ)償?shù)姆秶�有所減小。

　　(3)就地補(bǔ)償。

　　對異步電動機(jī)等感性設(shè)備進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)，將電容器組安置在負(fù)載設(shè)備周邊進(jìn)行無功補(bǔ)償，在提高用電設(shè)備在供電回路功率因數(shù)的同時(shí)，改善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。

　　供電系統(tǒng)諧波抑制的方式主要有兩種，一種是利用無緣LC濾波器或是有源電力濾波器對系統(tǒng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行過濾;另一種是對諧波源進(jìn)行改造，例如將變流器的相數(shù)提高或更換具有較高功率因數(shù)的整流器等。

　　其中，LC無源濾波器抑制諧波的方法較為常見，采用電力電容器以及電抗器電阻對具備某一特征的次諧波進(jìn)行抑制，在次諧波頻率下濾波器的逐鹿進(jìn)行串聯(lián)諧振，同時(shí)，寫成具有較低阻抗的通路，從而使次諧波電流盡可能少地流入到電網(wǎng)當(dāng)中，最大限度地降低諧波對電網(wǎng)的影響。

　　5 結(jié)論

　　本文通過對配電系統(tǒng)中的諧波和無功功率產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，在結(jié)合無功功率以及諧波對電力系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，從電子電力技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的角度出發(fā)，提出了無功功率補(bǔ)償和諧波抑制的相關(guān)方法。

　　可見，未來加強(qiáng)對電子電力技術(shù)以及無功功率補(bǔ)償與諧波抑制方法的研究和應(yīng)用力度，對于促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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