技術交(jiāo)流
電力系統諧波危害的檢測和治(zhì)理
來源: 發布時(shí)間:2016-10-19 浏覽量:44
目前電力(lì)系統諧波危害已(yǐ)經引(yǐn)起了各個部門的關注，爲了整(zhěng)個(gè)供電系統的供電質量，必須對諧波進行有效的檢(jiǎn)測和治理。對于供電(diàn)質量、确保電力(lì)系統安全、經濟運行都有着十(shí)分重要的意義。
②諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使儀器電(diàn)機産生機械振動和(hé)噪聲等故障，變壓器局部嚴重過(guò)熱，電容器、電纜等設備過熱，絕緣(yuán)部分老化(huà)、變質，設備壽命(mìng)縮減，直至最(zuì)終損壞。
③諧波會引起電網諧振，可(kě)能(néng)将諧波電(diàn)流放大幾倍甚至(zhì)數(shù)十倍(bèi)，會對系統構成重大威脅，特别是對電容器和與之串聯的電(diàn)抗器，電網諧振常會使之燒毀。
④諧波會導緻繼電保護和自動裝(zhuāng)置誤動作，造成不必要的供電(diàn)中斷和損失。
⑤諧波會使電氣測量儀表計(jì)量不準确，産生計量誤差，給供電部門或電力用戶帶來直接的經濟損(sǔn)失。
⑥諧波會對設備附近的通信(xìn)系統(tǒng)産生幹(gàn)擾，輕則産生噪聲，降低通信質量;重則導緻信息丢失，使(shǐ)通信系統無法正常工作。
⑦諧波會幹擾計算機系統等電子設備的正常工(gōng)作，造成數據丢失或死機。
⑧諧波會影(yǐng)響無(wú)線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能，造成噪聲幹擾和圖(tú)像紊亂。
消除諧波的方法很(hěn)多，即有主動型，又有被(bèi)動(dòng)型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較爲(wèi)先進的是采用(yòng)有源電力濾(lǜ)波器。但由于其檢測環節多采用(yòng)模拟電路，因而造價較高，且由于模拟帶通濾波器對頻率和溫度的(de)變化非常敏感(gǎn)，故使其基波幅值誤差很難控制在10%以内，嚴(yán)重影響了有源濾(lǜ)波器的控制性能。近年來，人工神經網絡的研究取得了較大進展，由于神經元(yuán)有(yǒu)自(zì)适應和自學習能(néng)力，且結構簡單，輸入輸出關系明了，因此可用神經(jīng)元替代自适應濾波器，再用一對與基波頻率相同(tóng)，相位相差(chà)90度的正弦(xián)向量作爲神經元的(de)輸入。由神經元先得到基波電流，然後檢測出應補償的電流(liú)，從而完成諧波電流的檢測。但人工神經網絡的(de)硬件目前還是一個比較薄(báo)弱的環節(jiē)，限制了其應用範圍。
2.傅立葉變換
利用傅立葉變換可在數字域進(jìn)行諧波檢測，電力系統的諧波分析，目前大都是通過該方法實現的，離散傅(fù)通測儀(yí)器立葉(yè)變換所需(xū)要處理的是經過(guò)采(cǎi)樣和(hé)A/D轉換得到的數字信号，設待測信号爲x(t)，采樣間隔爲 t秒，采樣頻率 =1/ t滿足采樣(yàng)定理，即 大于信号最高頻率分量的2倍，則采樣信号爲(wèi)x(n t)，并且采樣信号總是(shì)有限長(zhǎng)度的(de)，即n=0，1……N-1。這相當于對無(wú)限長的信(xìn)号做了截斷，因而造成了傅(fù)立葉變換的(de)洩露現象，産生誤差。此外(wài)，對于離散傅立(lì)葉變換(huàn)來說，如果(guǒ)不是整數周(zhōu)期采(cǎi)樣，那麽即使信号(hào)隻含有(yǒu)單一頻率，通測儀器離散傅立(lì)葉變換也不可能求出信号的準(zhǔn)确參數，因而(ér)出現(xiàn)栅欄效應。通過加窗可以減小洩露(lù)現象的影響。
3.小波變換
小(xiǎo)波變換已廣(guǎng)泛應用(yòng)于信号分析、語音識别與(yǔ)合成、自動控制、圖象處理與分析等(děng)領域。電力諧波是(shì)由各種頻率成分合成的、随機的(de)、出(chū)現和消通測儀器失都非常突然的信号，在應用離散傅立(lì)葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分(fèn)發揮小波變換的優勢。即對諧波采樣離散後，利用小波變換對數字信(xìn)号進行處理，從而實(shí)現對諧波(bō)的精确測定。小波可以看作是一個(gè)雙窗函數(shù)，對一信号進行(háng)小波變換相當于從這一時頻窗内的信息提(tí)取信号。對于檢測高頻信息，時窗變窄，可對(duì)信(xìn)号的高頻分量(liàng)做細緻的觀測；對于分析低頻信息，這時時窗自動變寬，可對(duì)信号的低頻分量做概貌分析。所以小波(bō)變換具有自動“調焦”性。其次(cì)，小波變換是(shì)按頻帶而不是按頻(pín)點的方式處理頻域信息，因此信号(hào)頻率的微小波動不會對處理産生(shēng)很大的影響，并不要求對信号(hào)進行整周期采樣。另外，由小波(bō)變換的時間局部可知，在(zài)信号(hào)的局部發生波動時，不會象(xiàng)傅(fù)立葉變換那樣把影響擴散到整個頻譜，而隻改變(biàn)當時一小段時間的頻譜分布，因此，采用小波變換可以跟蹤時變和暫态信号。
(1)增加整流變壓器二次側整流的相數
對于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流(liú)的相數或脈動(dòng)數，可以較好地消除低次(cì)特征諧波(bō)，該措施可減少諧波源産生的諧波含量，一(yī)般在工程設計中予以考慮。因爲(wèi)整流器是供電系統中的主要(yào)諧波源之一，其在交流側所産生的(de)高次諧波爲tK 1次諧波，即整流裝置從6脈動(dòng)諧(xié)波次數爲n=6K 1，如果增加到12脈動時，其諧波次數爲n=12K 1(其中K爲正整(zhěng)數)，這(zhè)樣就可以消除5、7等次諧波(bō)，因此增加整流的相數或脈動數，可有效地抑(yì)制低次諧波。不過，這種方(fāng)法雖然在(zài)理論上可(kě)以實現(xiàn)，但(dàn)是在實際應用中的(de)投資過大，在技術上對消除諧(xié)波并不十分有效，該方法多用(yòng)于大容量的整(zhěng)流裝置(zhì)負載。
(2)整流變壓器采用Y/或/Y接線
該方法(fǎ)可抑制3的倍數次的高次諧波(bō)，以整流變壓器采用/Y接線形式爲例說明其原理，當(dāng)高次諧波(bō)電流從(cóng)晶閘管反串到變壓器(qì)副邊繞組内時，其中(zhōng)3的倍數次(cì)高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在(zài)。但将導緻鐵心内出(chū)現3的倍數次高次(cì)諧波磁通(三(sān)相相(xiàng)位一緻)，而該磁通将(jiāng)在變壓器原邊(biān)繞組内産(chǎn)生3的倍(bèi)數次高次諧波電動勢，從而産生3的倍數次的高(gāo)次諧波電流。因爲它們相位一緻，隻能在 形繞組内産生環流，将能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上(shàng)不會出現3的倍數次的高次諧波(bō)電動勢。從以上分析可(kě)以看出，三相晶(jīng)閘管整(zhěng)流裝置的整流變壓器采用這種(zhǒng)接線形式時，諧波源(yuán)産生(shēng)的3n(n是正整數)次(cì)諧波激磁電流在(zài)接線繞(rào)組内形成環流，不(bú)緻使諧波注入公共(gòng)電網。這種接線(xiàn)形式的優點是可以自然消除(chú)3的整數倍次的諧波，是(shì)抑制高次諧波的(de)最基(jī)本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負載。
(3)盡量選用(yòng)高功率因數的整流器
采用整流器的多重化來減(jiǎn)少諧波是一種傳(chuán)統方法，用該方法構(gòu)成的整流(liú)器還不足以稱之爲高功率因數整流器。高功率因數整流器是一(yī)種通過對整流器本身進行改造，使其盡量不産生諧波，其電(diàn)流和電壓(yā)同相位的組合裝置，這(zhè)種整流器可以被(bèi)稱爲單位功率因數變流器(UPFC)。該方法隻能在設備設計過程中加以(yǐ)注意，從而得到實踐中的諧波抑制效果。
(4)整流電路的多重化(huà)
整流電路的多重化，即将多個方波疊加，以消除次(cì)數較低的諧波，從而得到接近正弦波的(de)階梯波。重數越多，波形越接近正弦波，但其(qí)電路也越複雜，因(yīn)此該方法一般隻用于大容量(liàng)場合。另(lìng)外，該方法不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時(shí)也可以減少(shǎo)直(zhí)流(liú)輸出(chū)電壓中的(de)諧波幅值，并(bìng)提高紋波頻率。如果把上述方法與PWM技術(shù)配合使用，則會産生很好(hǎo)的諧波抑(yì)制效果。該方法(fǎ)用于橋(qiáo)式整流電路中，以減少輸入電流(liú)的諧波。
當然，除了基于改造諧波(bō)源本身的諧波抑(yì)制方法，還有基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源濾波器、裝設靜(jìng)止無功補償裝置(zhì)(SVC)等等，在此就不再(zài)詳細論述。
随着現代信息技術，計算機(jī)技術和(hé)電子技(jì)術(shù)的發展，電能質(zhì)量問題已越來(lái)越引起用戶和供電部門的重視。應用先進的電能質量(liàng)測試儀器不僅能(néng)大大提高電能質(zhì)量的監測與治理水平，同時還(hái)可建(jiàn)立先進可(kě)靠的電能質量監測網絡(luò)，及時分析和反映電網的電能質量水平，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，采取相應的措施，爲保證電網的安(ān)全、穩定、經濟運行提供重要(yào)的保障。
一、電力(lì)系統諧波危害
①諧波會使公用電網中的電力設備産生附加(jiā)的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量(liàng)三(sān)次諧波流過中線會使線(xiàn)路過熱，嚴(yán)重的甚至可能(néng)引發火(huǒ)災。②諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使儀器電(diàn)機産生機械振動和(hé)噪聲等故障，變壓器局部嚴重過(guò)熱，電容器、電纜等設備過熱，絕緣(yuán)部分老化(huà)、變質，設備壽命(mìng)縮減，直至最(zuì)終損壞。
③諧波會引起電網諧振，可(kě)能(néng)将諧波電(diàn)流放大幾倍甚至(zhì)數(shù)十倍(bèi)，會對系統構成重大威脅，特别是對電容器和與之串聯的電(diàn)抗器，電網諧振常會使之燒毀。
④諧波會導緻繼電保護和自動裝(zhuāng)置誤動作，造成不必要的供電(diàn)中斷和損失。
⑤諧波會使電氣測量儀表計(jì)量不準确，産生計量誤差，給供電部門或電力用戶帶來直接的經濟損(sǔn)失。
⑥諧波會對設備附近的通信(xìn)系統(tǒng)産生幹(gàn)擾，輕則産生噪聲，降低通信質量;重則導緻信息丢失，使(shǐ)通信系統無法正常工作。
⑦諧波會幹擾計算機系統等電子設備的正常工(gōng)作，造成數據丢失或死機。
⑧諧波會影(yǐng)響無(wú)線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能，造成噪聲幹擾和圖(tú)像紊亂。
二、諧波檢測方法
1.模拟電路消除諧波的方法很(hěn)多，即有主動型，又有被(bèi)動(dòng)型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較爲(wèi)先進的是采用(yòng)有源電力濾(lǜ)波器。但由于其檢測環節多采用(yòng)模拟電路，因而造價較高，且由于模拟帶通濾波器對頻率和溫度的(de)變化非常敏感(gǎn)，故使其基波幅值誤差很難控制在10%以内，嚴(yán)重影響了有源濾(lǜ)波器的控制性能。近年來，人工神經網絡的研究取得了較大進展，由于神經元(yuán)有(yǒu)自(zì)适應和自學習能(néng)力，且結構簡單，輸入輸出關系明了，因此可用神經(jīng)元替代自适應濾波器，再用一對與基波頻率相同(tóng)，相位相差(chà)90度的正弦(xián)向量作爲神經元的(de)輸入。由神經元先得到基波電流，然後檢測出應補償的電流(liú)，從而完成諧波電流的檢測。但人工神經網絡的(de)硬件目前還是一個比較薄(báo)弱的環節(jiē)，限制了其應用範圍。
2.傅立葉變換
利用傅立葉變換可在數字域進(jìn)行諧波檢測，電力系統的諧波分析，目前大都是通過該方法實現的，離散傅(fù)通測儀(yí)器立葉(yè)變換所需(xū)要處理的是經過(guò)采(cǎi)樣和(hé)A/D轉換得到的數字信号，設待測信号爲x(t)，采樣間隔爲 t秒，采樣頻率 =1/ t滿足采樣(yàng)定理，即 大于信号最高頻率分量的2倍，則采樣信号爲(wèi)x(n t)，并且采樣信号總是(shì)有限長(zhǎng)度的(de)，即n=0，1……N-1。這相當于對無(wú)限長的信(xìn)号做了截斷，因而造成了傅(fù)立葉變換的(de)洩露現象，産生誤差。此外(wài)，對于離散傅立(lì)葉變換(huàn)來說，如果(guǒ)不是整數周(zhōu)期采(cǎi)樣，那麽即使信号(hào)隻含有(yǒu)單一頻率，通測儀器離散傅立(lì)葉變換也不可能求出信号的準(zhǔn)确參數，因而(ér)出現(xiàn)栅欄效應。通過加窗可以減小洩露(lù)現象的影響。
3.小波變換
小(xiǎo)波變換已廣(guǎng)泛應用(yòng)于信号分析、語音識别與(yǔ)合成、自動控制、圖象處理與分析等(děng)領域。電力諧波是(shì)由各種頻率成分合成的、随機的(de)、出(chū)現和消通測儀器失都非常突然的信号，在應用離散傅立(lì)葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分(fèn)發揮小波變換的優勢。即對諧波采樣離散後，利用小波變換對數字信(xìn)号進行處理，從而實(shí)現對諧波(bō)的精确測定。小波可以看作是一個(gè)雙窗函數(shù)，對一信号進行(háng)小波變換相當于從這一時頻窗内的信息提(tí)取信号。對于檢測高頻信息，時窗變窄，可對(duì)信(xìn)号的高頻分量(liàng)做細緻的觀測；對于分析低頻信息，這時時窗自動變寬，可對(duì)信号的低頻分量做概貌分析。所以小波(bō)變換具有自動“調焦”性。其次(cì)，小波變換是(shì)按頻帶而不是按頻(pín)點的方式處理頻域信息，因此信号(hào)頻率的微小波動不會對處理産生(shēng)很大的影響，并不要求對信号(hào)進行整周期采樣。另外，由小波(bō)變換的時間局部可知，在(zài)信号(hào)的局部發生波動時，不會象(xiàng)傅(fù)立葉變換那樣把影響擴散到整個頻譜，而隻改變(biàn)當時一小段時間的頻譜分布，因此，采用小波變換可以跟蹤時變和暫态信号。
三(sān)、電力系統諧波治(zhì)理
限于篇幅問(wèn)題，本文在此隻介紹基于改造諧波源(yuán)本身的(de)諧波抑制方法，基于改造諧(xié)波源本身的諧波抑制方法一般有以下幾種。(1)增加整流變壓器二次側整流的相數
對于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流(liú)的相數或脈動(dòng)數，可以較好地消除低次(cì)特征諧波(bō)，該措施可減少諧波源産生的諧波含量，一(yī)般在工程設計中予以考慮。因爲(wèi)整流器是供電系統中的主要(yào)諧波源之一，其在交流側所産生的(de)高次諧波爲tK 1次諧波，即整流裝置從6脈動(dòng)諧(xié)波次數爲n=6K 1，如果增加到12脈動時，其諧波次數爲n=12K 1(其中K爲正整(zhěng)數)，這(zhè)樣就可以消除5、7等次諧波(bō)，因此增加整流的相數或脈動數，可有效地抑(yì)制低次諧波。不過，這種方(fāng)法雖然在(zài)理論上可(kě)以實現(xiàn)，但(dàn)是在實際應用中的(de)投資過大，在技術上對消除諧(xié)波并不十分有效，該方法多用(yòng)于大容量的整(zhěng)流裝置(zhì)負載。
(2)整流變壓器采用Y/或/Y接線
該方法(fǎ)可抑制3的倍數次的高次諧波(bō)，以整流變壓器采用/Y接線形式爲例說明其原理，當(dāng)高次諧波(bō)電流從(cóng)晶閘管反串到變壓器(qì)副邊繞組内時，其中(zhōng)3的倍數次(cì)高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在(zài)。但将導緻鐵心内出(chū)現3的倍數次高次(cì)諧波磁通(三(sān)相相(xiàng)位一緻)，而該磁通将(jiāng)在變壓器原邊(biān)繞組内産(chǎn)生3的倍(bèi)數次高次諧波電動勢，從而産生3的倍數次的高(gāo)次諧波電流。因爲它們相位一緻，隻能在 形繞組内産生環流，将能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上(shàng)不會出現3的倍數次的高次諧波(bō)電動勢。從以上分析可(kě)以看出，三相晶(jīng)閘管整(zhěng)流裝置的整流變壓器采用這種(zhǒng)接線形式時，諧波源(yuán)産生(shēng)的3n(n是正整數)次(cì)諧波激磁電流在(zài)接線繞(rào)組内形成環流，不(bú)緻使諧波注入公共(gòng)電網。這種接線(xiàn)形式的優點是可以自然消除(chú)3的整數倍次的諧波，是(shì)抑制高次諧波的(de)最基(jī)本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負載。
(3)盡量選用(yòng)高功率因數的整流器
采用整流器的多重化來減(jiǎn)少諧波是一種傳(chuán)統方法，用該方法構(gòu)成的整流(liú)器還不足以稱之爲高功率因數整流器。高功率因數整流器是一(yī)種通過對整流器本身進行改造，使其盡量不産生諧波，其電(diàn)流和電壓(yā)同相位的組合裝置，這(zhè)種整流器可以被(bèi)稱爲單位功率因數變流器(UPFC)。該方法隻能在設備設計過程中加以(yǐ)注意，從而得到實踐中的諧波抑制效果。
(4)整流電路的多重化(huà)
整流電路的多重化，即将多個方波疊加，以消除次(cì)數較低的諧波，從而得到接近正弦波的(de)階梯波。重數越多，波形越接近正弦波，但其(qí)電路也越複雜，因(yīn)此該方法一般隻用于大容量(liàng)場合。另(lìng)外，該方法不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時(shí)也可以減少(shǎo)直(zhí)流(liú)輸出(chū)電壓中的(de)諧波幅值，并(bìng)提高紋波頻率。如果把上述方法與PWM技術(shù)配合使用，則會産生很好(hǎo)的諧波抑(yì)制效果。該方法(fǎ)用于橋(qiáo)式整流電路中，以減少輸入電流(liú)的諧波。
當然，除了基于改造諧波(bō)源本身的諧波抑(yì)制方法，還有基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源濾波器、裝設靜(jìng)止無功補償裝置(zhì)(SVC)等等，在此就不再(zài)詳細論述。
随着現代信息技術，計算機(jī)技術和(hé)電子技(jì)術(shù)的發展，電能質(zhì)量問題已越來(lái)越引起用戶和供電部門的重視。應用先進的電能質量(liàng)測試儀器不僅能(néng)大大提高電能質(zhì)量的監測與治理水平，同時還(hái)可建(jiàn)立先進可(kě)靠的電能質量監測網絡(luò)，及時分析和反映電網的電能質量水平，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，采取相應的措施，爲保證電網的安(ān)全、穩定、經濟運行提供重要(yào)的保障。