技術交流
電力系統諧(xié)波(bō)危害的檢測和治(zhì)理
來源: 發布時(shí)間(jiān):2016-12-30 浏覽量:48
目前電力(lì)系統(tǒng)諧波(bō)危害已經引起了各個部(bù)門的關注，爲了整個供電系統的供電質量，必須對諧波進行有效的檢測和治理。對于供電質量(liàng)、确保電力系統安全、經濟運行都有着十分重(zhòng)要的意義。
②諧波(bō)會影響電氣設(shè)備的正常工作，使儀器(qì)電機産生機械振動和噪聲(shēng)等故障，變(biàn)壓器局部(bù)嚴重過熱，電容器、電(diàn)纜等(děng)設備過熱，絕緣部分(fèn)老化、變質，設備壽命縮減，直至最終(zhōng)損壞。
③諧波(bō)會引起電網諧振，可能将諧波電流放大(dà)幾(jǐ)倍甚至數十倍，會對系統構成重大威脅，特(tè)别是對電容器(qì)和與之串(chuàn)聯的(de)電抗器，電網諧振常會使之燒毀。
④諧(xié)波會導緻繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和損失(shī)。
⑤諧波會使電氣測量儀表計(jì)量(liàng)不準确，産生計量誤差，給供(gòng)電部門或電力用戶帶來直接的經濟損失。
⑥諧波會對設備附近的通信(xìn)系統産生幹(gàn)擾，輕則産(chǎn)生(shēng)噪聲，降低通信質量;重則導緻信(xìn)息丢失，使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作(zuò)，造成數據丢失或死機。
⑧諧波會影(yǐng)響無線電發射系統、雷達(dá)系統、核磁共振等設備的工作性(xìng)能，造成噪聲幹擾和圖像紊亂。
消除諧波的方法很(hěn)多，即有主動型，又有被動型；既有無源的，也有有源的，還有混(hùn)合型的，目(mù)前較爲先(xiān)進的是采用有源電(diàn)力濾波器。但由(yóu)于其(qí)檢測環節多采用(yòng)模拟電路，因而造價(jià)較(jiào)高(gāo)，且由于模拟帶通濾波器對(duì)頻(pín)率和溫度的(de)變化非常敏感(gǎn)，故使其基(jī)波幅值誤差很(hěn)難控(kòng)制在(zài)10%以内(nèi)，嚴重影響(xiǎng)了有源濾(lǜ)波器的控制性能。近年來，人工神經(jīng)網絡的研究取得了較大進展，由于神經元(yuán)有自适應和自學習能力，且(qiě)結構簡單，輸入輸出關(guān)系明了，因此可用神經(jīng)元替代自适應濾波器，再(zài)用一對與基波頻率(lǜ)相同(tóng)，相位相差90度的正弦向量作爲神經元的(de)輸入(rù)。由神經元先得到(dào)基波電流，然後檢(jiǎn)測出應補償的電流(liú)，從而完成諧波(bō)電流(liú)的檢(jiǎn)測。但人工神經網絡的硬(yìng)件目前還是一個(gè)比較薄(báo)弱的環節(jiē)，限制了其應用範(fàn)圍。
2.傅立葉變換
利(lì)用傅立葉變換可在數字域進行諧波檢測，電力系統的諧波(bō)分析，目前大都是通過該方法(fǎ)實現的，離散傅通測儀器立葉變換所需要處理的是經(jīng)過采樣和A/D轉換得到的數字信(xìn)号，設待測信号爲x(t)，采樣間隔爲 t秒，采樣頻率 =1/ t滿足采樣定理，即 大于(yú)信号最高頻率分(fèn)量的2倍，則采樣信(xìn)号爲(wèi)x(n t)，并且采樣信号總是有限長度的，即(jí)n=0，1……N-1。這相當于對無限長的信号做了截斷，因(yīn)而造成了傅立葉變換的洩露現象(xiàng)，産生(shēng)誤差(chà)。此外，對于離散傅立葉(yè)變換來說，如果(guǒ)不是整數周(zhōu)期采樣，那麽即使信号(hào)隻含(hán)有單一頻率，通測儀器離散傅立葉變換也不可能求出(chū)信号的準(zhǔn)确參數，因而出現(xiàn)栅(shān)欄效(xiào)應。通過加窗可以減小洩露現象的影響。
3.小波變換
小波變換已廣泛應用于信号分析、語音識(shí)别與合成、自動控制、圖象處理與分析(xī)等領域。電力諧波是由(yóu)各種頻率成分合成(chéng)的、随機的、出現和消通測儀器失都非常(cháng)突然的(de)信号，在應用離散傅立葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分發揮(huī)小波變換(huàn)的優(yōu)勢。即對諧波采樣離散後，利用小波(bō)變換對數(shù)字(zì)信号進行處理，從而實(shí)現對諧波的精确測定。小波(bō)可以看作是一個雙窗函數，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(kě)對信号的高頻分量(liàng)做細緻的觀測；對于分析低頻信息，這時(shí)時窗自動(dòng)變寬，可對信号的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動“調焦”性。其次，小波變(biàn)換是(shì)按頻帶而不是按(àn)頻(pín)點的方式處理頻域信息(xī)，因此信号頻率的微小波動不會對(duì)處理産生很大(dà)的影響，并不要求對信号進行整周期采樣。另外，由小波變(biàn)換的時(shí)間局部可知，在(zài)信号的局部發生波(bō)動時(shí)，不會象傅(fù)立葉變(biàn)換(huàn)那樣把影響擴散到整個(gè)頻譜，而隻改變當(dāng)時一小(xiǎo)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(èr)次側整流的相數
對于帶(dài)有整流元件的設備，盡量增加整流的相數或脈動(dòng)數，可以較好地消(xiāo)除低次特征諧波(bō)，該措施可減少諧(xié)波源産生的諧波(bō)含量，一般(bān)在工程設計中予以考慮。因爲整流器是供電系統中的主要諧波源之一，其在交流側所産生的(de)高次諧波爲tK 1次(cì)諧波，即整流裝(zhuāng)置從6脈動諧波次數(shù)爲(wèi)n=6K 1，如果增加到12脈動時，其諧波次數爲n=12K 1(其中K爲正整數)，這樣就可以消除5、7等次(cì)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(zhè)種(zhǒng)方法雖然在(zài)理論上可以實現，但是在實際應用中的(de)投資過大，在技術上對消除諧波并不十分有效，該(gāi)方法多用于大容量的整流裝置(zhì)負載。
(2)整流變壓器采用Y/或/Y接線
該方法可抑制3的倍數次的(de)高次諧波(bō)，以整流變壓器采用(yòng)/Y接線形式(shì)爲例說明其原(yuán)理，當高次諧波電流從晶閘管反串到(dào)變壓器(qì)副邊繞組内時，其中3的倍數次高次諧波電流無路可通，所以(yǐ)自(zì)然就(jiù)被抑制而不存在。但将導緻(zhì)鐵心内出現3的倍數次高(gāo)次諧波磁通(三相相(xiàng)位一緻)，而該磁通将(jiāng)在變壓器原邊繞組内産生3的倍(bèi)數次高次諧波電動勢，從而(ér)産生(shēng)3的倍數次的高次諧波電流。因爲它們相位一(yī)緻，隻能在(zài) 形繞組内産生環流，将能量消耗在(zài)繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現3的倍數次的高次諧波(bō)電動勢。從以上分(fèn)析可(kě)以看出，三相晶(jīng)閘管整流裝置的整流變壓器采用這種接線形式時，諧波源産生(shēng)的3n(n是正整數)次諧波激磁電流在接線繞組内形成環流，不緻使諧波注入公(gōng)共電網。這種接線形式的優點是可以自(zì)然消除3的整數倍次的諧波，是抑制高次諧波的(de)最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負(fù)載。
(3)盡量選用高功率(lǜ)因數的整流器(qì)
采用整流器的多(duō)重化來減少諧波是一種傳統方法，用該方法構成的整流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種通(tōng)過對整流器(qì)本身進(jìn)行改造，使其盡量不産(chǎn)生諧波，其電(diàn)流和電壓(yā)同相位的組合(hé)裝置，這種整(zhěng)流器可以被稱爲(wèi)單位功率(lǜ)因數(shù)變流器(UPFC)。該方法(fǎ)隻能在設備設(shè)計過程中加以注意，從(cóng)而(ér)得到(dào)實(shí)踐中的諧波抑制效果。
(4)整流電路的多重化
整流電路的多重化，即将多個方波疊加，以消除次數較低的(de)諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數越(yuè)多，波形越接近正弦波，但其電路也越複雜，因(yīn)此該方法一般隻用于大容量場合。另外，該方法不(bú)僅(jǐn)可以減少交流輸(shū)入電(diàn)流的諧波，同時(shí)也可以減少(shǎo)直(zhí)流輸出電壓中(zhōng)的諧波幅值，并提高紋波頻率。如果把(bǎ)上(shàng)述方法(fǎ)與PWM技術配合使用，則會産生很好(hǎo)的諧波抑制效果。該方法用于橋式整流電路中，以減少輸入(rù)電流的諧波(bō)。
當然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑(yì)制方法，還有基于諧波補償裝置功(gōng)能的諧波抑制方法，它包括加(jiā)裝(zhuāng)無源濾(lǜ)波器(qì)、加裝有源濾波器、裝設靜(jìng)止無(wú)功補償裝置(SVC)等等，在此就不再(zài)詳細論述。
随着現代信息技術，計算機技術和電子技術的發展，電能質量問題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應(yīng)用先進的電能質量測試儀器不僅能大大提高電能質(zhì)量的監測與治理水平，同時(shí)還(hái)可建立先進可(kě)靠的電能質(zhì)量監測網(wǎng)絡(luò)，及時分析和反映電網的電能質量(liàng)水平(píng)，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，采取相應的(de)措施，爲保證電網的安全(quán)、穩定、經濟運行(háng)提供重要的保障。
一、電力系統諧(xié)波危害
①諧波會使公用電網中的電(diàn)力設備産生附加的損耗，降低了發電(diàn)、輸電及用電設備的效(xiào)率。大量三(sān)次諧波流過中線會使線路過熱，嚴(yán)重的(de)甚至可能(néng)引發火(huǒ)災。②諧波(bō)會影響電氣設(shè)備的正常工作，使儀器(qì)電機産生機械振動和噪聲(shēng)等故障，變(biàn)壓器局部(bù)嚴重過熱，電容器、電(diàn)纜等(děng)設備過熱，絕緣部分(fèn)老化、變質，設備壽命縮減，直至最終(zhōng)損壞。
③諧波(bō)會引起電網諧振，可能将諧波電流放大(dà)幾(jǐ)倍甚至數十倍，會對系統構成重大威脅，特(tè)别是對電容器(qì)和與之串(chuàn)聯的(de)電抗器，電網諧振常會使之燒毀。
④諧(xié)波會導緻繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和損失(shī)。
⑤諧波會使電氣測量儀表計(jì)量(liàng)不準确，産生計量誤差，給供(gòng)電部門或電力用戶帶來直接的經濟損失。
⑥諧波會對設備附近的通信(xìn)系統産生幹(gàn)擾，輕則産(chǎn)生(shēng)噪聲，降低通信質量;重則導緻信(xìn)息丢失，使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作(zuò)，造成數據丢失或死機。
⑧諧波會影(yǐng)響無線電發射系統、雷達(dá)系統、核磁共振等設備的工作性(xìng)能，造成噪聲幹擾和圖像紊亂。
二、諧波檢測方(fāng)法
1.模拟電路(lù)消除諧波的方法很(hěn)多，即有主動型，又有被動型；既有無源的，也有有源的，還有混(hùn)合型的，目(mù)前較爲先(xiān)進的是采用有源電(diàn)力濾波器。但由(yóu)于其(qí)檢測環節多采用(yòng)模拟電路，因而造價(jià)較(jiào)高(gāo)，且由于模拟帶通濾波器對(duì)頻(pín)率和溫度的(de)變化非常敏感(gǎn)，故使其基(jī)波幅值誤差很(hěn)難控(kòng)制在(zài)10%以内(nèi)，嚴重影響(xiǎng)了有源濾(lǜ)波器的控制性能。近年來，人工神經(jīng)網絡的研究取得了較大進展，由于神經元(yuán)有自适應和自學習能力，且(qiě)結構簡單，輸入輸出關(guān)系明了，因此可用神經(jīng)元替代自适應濾波器，再(zài)用一對與基波頻率(lǜ)相同(tóng)，相位相差90度的正弦向量作爲神經元的(de)輸入(rù)。由神經元先得到(dào)基波電流，然後檢(jiǎn)測出應補償的電流(liú)，從而完成諧波(bō)電流(liú)的檢(jiǎn)測。但人工神經網絡的硬(yìng)件目前還是一個(gè)比較薄(báo)弱的環節(jiē)，限制了其應用範(fàn)圍。
2.傅立葉變換
利(lì)用傅立葉變換可在數字域進行諧波檢測，電力系統的諧波(bō)分析，目前大都是通過該方法(fǎ)實現的，離散傅通測儀器立葉變換所需要處理的是經(jīng)過采樣和A/D轉換得到的數字信(xìn)号，設待測信号爲x(t)，采樣間隔爲 t秒，采樣頻率 =1/ t滿足采樣定理，即 大于(yú)信号最高頻率分(fèn)量的2倍，則采樣信(xìn)号爲(wèi)x(n t)，并且采樣信号總是有限長度的，即(jí)n=0，1……N-1。這相當于對無限長的信号做了截斷，因(yīn)而造成了傅立葉變換的洩露現象(xiàng)，産生(shēng)誤差(chà)。此外，對于離散傅立葉(yè)變換來說，如果(guǒ)不是整數周(zhōu)期采樣，那麽即使信号(hào)隻含(hán)有單一頻率，通測儀器離散傅立葉變換也不可能求出(chū)信号的準(zhǔn)确參數，因而出現(xiàn)栅(shān)欄效(xiào)應。通過加窗可以減小洩露現象的影響。
3.小波變換
小波變換已廣泛應用于信号分析、語音識(shí)别與合成、自動控制、圖象處理與分析(xī)等領域。電力諧波是由(yóu)各種頻率成分合成(chéng)的、随機的、出現和消通測儀器失都非常(cháng)突然的(de)信号，在應用離散傅立葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分發揮(huī)小波變換(huàn)的優(yōu)勢。即對諧波采樣離散後，利用小波(bō)變換對數(shù)字(zì)信号進行處理，從而實(shí)現對諧波的精确測定。小波(bō)可以看作是一個雙窗函數，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(kě)對信号的高頻分量(liàng)做細緻的觀測；對于分析低頻信息，這時(shí)時窗自動(dòng)變寬，可對信号的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動“調焦”性。其次，小波變(biàn)換是(shì)按頻帶而不是按(àn)頻(pín)點的方式處理頻域信息(xī)，因此信号頻率的微小波動不會對(duì)處理産生很大(dà)的影響，并不要求對信号進行整周期采樣。另外，由小波變(biàn)換的時(shí)間局部可知，在(zài)信号的局部發生波(bō)動時(shí)，不會象傅(fù)立葉變(biàn)換(huàn)那樣把影響擴散到整個(gè)頻譜，而隻改變當(dāng)時一小(xiǎo)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)、電力系統諧波治理
限于篇幅(fú)問題(tí)，本文在此隻介紹基于改造諧波源(yuán)本身的諧波抑制方法，基于改造諧(xié)波源本身的諧波(bō)抑制方(fāng)法一般有以下幾種。(1)增加整流變壓器二(èr)次側整流的相數
對于帶(dài)有整流元件的設備，盡量增加整流的相數或脈動(dòng)數，可以較好地消(xiāo)除低次特征諧波(bō)，該措施可減少諧(xié)波源産生的諧波(bō)含量，一般(bān)在工程設計中予以考慮。因爲整流器是供電系統中的主要諧波源之一，其在交流側所産生的(de)高次諧波爲tK 1次(cì)諧波，即整流裝(zhuāng)置從6脈動諧波次數(shù)爲(wèi)n=6K 1，如果增加到12脈動時，其諧波次數爲n=12K 1(其中K爲正整數)，這樣就可以消除5、7等次(cì)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(zhè)種(zhǒng)方法雖然在(zài)理論上可以實現，但是在實際應用中的(de)投資過大，在技術上對消除諧波并不十分有效，該(gāi)方法多用于大容量的整流裝置(zhì)負載。
(2)整流變壓器采用Y/或/Y接線
該方法可抑制3的倍數次的(de)高次諧波(bō)，以整流變壓器采用(yòng)/Y接線形式(shì)爲例說明其原(yuán)理，當高次諧波電流從晶閘管反串到(dào)變壓器(qì)副邊繞組内時，其中3的倍數次高次諧波電流無路可通，所以(yǐ)自(zì)然就(jiù)被抑制而不存在。但将導緻(zhì)鐵心内出現3的倍數次高(gāo)次諧波磁通(三相相(xiàng)位一緻)，而該磁通将(jiāng)在變壓器原邊繞組内産生3的倍(bèi)數次高次諧波電動勢，從而(ér)産生(shēng)3的倍數次的高次諧波電流。因爲它們相位一(yī)緻，隻能在(zài) 形繞組内産生環流，将能量消耗在(zài)繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現3的倍數次的高次諧波(bō)電動勢。從以上分(fèn)析可(kě)以看出，三相晶(jīng)閘管整流裝置的整流變壓器采用這種接線形式時，諧波源産生(shēng)的3n(n是正整數)次諧波激磁電流在接線繞組内形成環流，不緻使諧波注入公(gōng)共電網。這種接線形式的優點是可以自(zì)然消除3的整數倍次的諧波，是抑制高次諧波的(de)最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負(fù)載。
(3)盡量選用高功率(lǜ)因數的整流器(qì)
采用整流器的多(duō)重化來減少諧波是一種傳統方法，用該方法構成的整流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種通(tōng)過對整流器(qì)本身進(jìn)行改造，使其盡量不産(chǎn)生諧波，其電(diàn)流和電壓(yā)同相位的組合(hé)裝置，這種整(zhěng)流器可以被稱爲(wèi)單位功率(lǜ)因數(shù)變流器(UPFC)。該方法(fǎ)隻能在設備設(shè)計過程中加以注意，從(cóng)而(ér)得到(dào)實(shí)踐中的諧波抑制效果。
(4)整流電路的多重化
整流電路的多重化，即将多個方波疊加，以消除次數較低的(de)諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數越(yuè)多，波形越接近正弦波，但其電路也越複雜，因(yīn)此該方法一般隻用于大容量場合。另外，該方法不(bú)僅(jǐn)可以減少交流輸(shū)入電(diàn)流的諧波，同時(shí)也可以減少(shǎo)直(zhí)流輸出電壓中(zhōng)的諧波幅值，并提高紋波頻率。如果把(bǎ)上(shàng)述方法(fǎ)與PWM技術配合使用，則會産生很好(hǎo)的諧波抑制效果。該方法用于橋式整流電路中，以減少輸入(rù)電流的諧波(bō)。
當然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑(yì)制方法，還有基于諧波補償裝置功(gōng)能的諧波抑制方法，它包括加(jiā)裝(zhuāng)無源濾(lǜ)波器(qì)、加裝有源濾波器、裝設靜(jìng)止無(wú)功補償裝置(SVC)等等，在此就不再(zài)詳細論述。
随着現代信息技術，計算機技術和電子技術的發展，電能質量問題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應(yīng)用先進的電能質量測試儀器不僅能大大提高電能質(zhì)量的監測與治理水平，同時(shí)還(hái)可建立先進可(kě)靠的電能質(zhì)量監測網(wǎng)絡(luò)，及時分析和反映電網的電能質量(liàng)水平(píng)，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，采取相應的(de)措施，爲保證電網的安全(quán)、穩定、經濟運行(háng)提供重要的保障。