供電系統(tǒng)中諧波治理設(shè)備的應(yīng)用淺述

孫　鵬（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司（天津辦公室），天津　300201）

供電系統(tǒng)中諧波治理設(shè)備的應(yīng)用淺述

孫鵬
（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司（天津辦公室），天津300201）

摘要：供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生量隨著近年來電力迅速發(fā)展而大大提升，降低電能質(zhì)量、引發(fā)電能畸變，亟需得到控制。本文結(jié)合供電系統(tǒng)諧波特點(diǎn)介紹了可行的諧波治理設(shè)備應(yīng)用方法，著重提出了有源濾波諧波的治理途徑，認(rèn)為根據(jù)實(shí)際的供電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、容量情況，使用有源濾波器等設(shè)備可達(dá)到理想的諧波治理效果，促進(jìn)供電系統(tǒng)功率因數(shù)的提升、保障供電系統(tǒng)運(yùn)行順暢和安全性。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；諧波治理設(shè)備；應(yīng)用

我國(guó)近年來用電性質(zhì)、用電量不斷變化，尤其是計(jì)算機(jī)電源、節(jié)能燈、電力電子變頻設(shè)備、電熱器等用電設(shè)備的大量使用，增加了電力系統(tǒng)的非線性、感性負(fù)荷，系統(tǒng)中頻發(fā)大容量啟動(dòng)十分常見。這樣的非線性用電現(xiàn)象會(huì)促使諧波電流大量產(chǎn)生，在加大供電系統(tǒng)壓力同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，諧波污染已經(jīng)受到社會(huì)各界高度關(guān)注。供電系統(tǒng)亟需投入有效的諧波治理設(shè)備控制諧波污染，以維持供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、高效性，降低電能浪費(fèi)、提升電網(wǎng)功率因數(shù)、延長(zhǎng)用電設(shè)備壽命、提高用電設(shè)備效率。有源電力濾波器（APF）是國(guó)內(nèi)外研究深入、廣泛投入的新型電力電子設(shè)備，其在電力系統(tǒng)中的使用可達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、治理諧波目的。

一、諧波治理的背景與意義

電力系統(tǒng)中的諧波為典型正弦波電流分量，其頻率是基波頻率整數(shù)倍，主要由整流電路設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)諧波產(chǎn)生量遠(yuǎn)高于生活諧波的產(chǎn)生，此類諧波主要由晶閘管可控開關(guān)、PWM變頻器裝置、交直流換流設(shè)備產(chǎn)生，也產(chǎn)生于交流電焊機(jī)、大功率直流電源電弧爐、中高頻感應(yīng)爐、可控硅調(diào)壓電源電加熱爐等設(shè)備運(yùn)行過程。任由諧波產(chǎn)生會(huì)引發(fā)電網(wǎng)電壓畸變、降低供電質(zhì)量、縮短設(shè)備壽命、降低設(shè)備效率，影響繼電保護(hù)裝置、用電計(jì)量設(shè)備、補(bǔ)償設(shè)備、斷路器、變壓器等形成損害，污染電網(wǎng)。選擇合適的諧波治理設(shè)備投入使用后，可控制諧波影響下的公共電網(wǎng)附加損耗，將輸電、發(fā)電、用電設(shè)備效率控制在最小范圍，延緩電纜、電容器等的老化、降低發(fā)熱量；防控電網(wǎng)并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振等的發(fā)生，控制諧波電流，保護(hù)串聯(lián)電抗器、電容器等裝置；維持正常電能計(jì)量功能，控制供電系統(tǒng)諧波電流涌入量，避免中線過熱的發(fā)生、防控火災(zāi)等意外事故；降低諧波對(duì)信息處理設(shè)備、通信設(shè)備的干擾，維持較好的通信質(zhì)量及信息存儲(chǔ)處理能力，幫正工控系統(tǒng)正常高效運(yùn)行。

二、諧波基本知識(shí)

在理想狀態(tài)下，電壓和電流波形為正弦波，可是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中具備許多非線性阻抗特點(diǎn)的供用電裝置，從而使實(shí)際電壓和電流波形和正弦波相偏離，此種現(xiàn)象就稱之為電壓和電流波形的畸變，一般利用諧波進(jìn)行表示。針對(duì)供電系統(tǒng)的周期性變化下的電壓和電流交流量完成傅立葉級(jí)數(shù)分解，不僅可以獲取和電網(wǎng)基波頻率一致的分量，還可以獲取許多超過電網(wǎng)基波頻率整倍的分量，此部分的分量就是諧波。而諧波頻率和基波頻率響應(yīng)比值就是諧波次數(shù)。電網(wǎng)中還會(huì)存在非整數(shù)倍的諧波，稱之為非諧波或是分?jǐn)?shù)諧波。一系列擁有非線性阻抗特點(diǎn)或是非正弦電流特點(diǎn)的電氣裝置，在公用電網(wǎng)注入相關(guān)諧波電流或是在公用的電網(wǎng)中形成諧波電壓，都被稱之為諧波源。另外，電力系統(tǒng)存在的諧波主要就是一種干擾量，其可以使電網(wǎng)遭受污染，從而對(duì)電網(wǎng)相關(guān)用戶造成一定影響與干擾，此種污染的危害性相對(duì)比較大，同時(shí)不容易察覺，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成難以預(yù)料的后果。

三、供電系統(tǒng)諧波治理設(shè)備應(yīng)用

諧波治理設(shè)備的使用有助于提升電能質(zhì)量、供電設(shè)備運(yùn)行有效性及安全性，從源頭上控制諧波的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)可控硅整流設(shè)備脈動(dòng)數(shù)防控諧波的產(chǎn)生，并通過調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)饋線參數(shù)達(dá)到非線性負(fù)載諧波補(bǔ)償目的，真正意義上治理諧波。

有源電力濾波器是在功率器件控制精度持續(xù)升高、電網(wǎng)質(zhì)量管理能力不斷上升的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和得以運(yùn)用的，彌補(bǔ)了無緣濾波器的缺陷，提高了諧波治理能力，還有理想的無功補(bǔ)償效果。并聯(lián)型有源電力濾波器可輸出負(fù)載補(bǔ)償電流，內(nèi)有濾出開關(guān)波紋電流的高通濾波器。此設(shè)備主要分為補(bǔ)償電流產(chǎn)生部分、指令電流運(yùn)算部分組成，后者主要可測(cè)定分析補(bǔ)償對(duì)象諧波電流、無功電流情況，提取諧波電流、無功電流并由驅(qū)動(dòng)電路、跟蹤控制電路、PWM變流器設(shè)備組成補(bǔ)償電流發(fā)生部分。PWM變流器為整個(gè)設(shè)備主電路所在，可產(chǎn)生補(bǔ)償電流而達(dá)到逆變器效果，也可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)直流側(cè)的儲(chǔ)能元件充電而達(dá)到整流器運(yùn)行目的。此種設(shè)備運(yùn)行中主要結(jié)合了PT電壓互感設(shè)備、CT電流互感設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將供電系統(tǒng)電壓信號(hào)、非線性負(fù)載電流信號(hào)及時(shí)獲取并分析處理，搜集諧波電流指令信號(hào)、無功電流信號(hào)，根據(jù)搜集的信號(hào)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)主電路PWM變流設(shè)備通斷調(diào)控，并輸出相反相位、相同形狀的電網(wǎng)諧波補(bǔ)償電流，有效消除、控制諧波電流，達(dá)到提高供電系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的目的。

有源電力濾波設(shè)備的使用在傳統(tǒng)的無源濾波設(shè)備基礎(chǔ)上有了很大的改進(jìn)和提升，對(duì)開關(guān)頻率范圍之內(nèi)的諧波有更好的濾除效果，具有強(qiáng)大的指定次數(shù)諧波濾除功能，諧波補(bǔ)償更全面、更靈活；對(duì)不固定幅值、頻率諧波有快速響應(yīng)補(bǔ)償效果，且能夠在阻抗、電網(wǎng)頻率影響下保持良好的濾波功能，穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；此種設(shè)備的使用不會(huì)出現(xiàn)過載問題，即便有電網(wǎng)系統(tǒng)中存在很大的諧波電流，依然能夠維持額定容量正常工作，適用性強(qiáng)。

另外，電網(wǎng)固有設(shè)備的改良也有助于消除治理諧波。根據(jù)電網(wǎng)管理現(xiàn)狀連接電力變壓器繞組也是控制諧波產(chǎn)生的有效方式，若三次及倍數(shù)次諧波是主要消除對(duì)象，則選擇變壓器三角形連接；要確保發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波型電能，規(guī)范基礎(chǔ)設(shè)備性能以控制諧波產(chǎn)生；若消除對(duì)象主要為5次、7次諧波，可選擇短距繞組；3次及3次倍數(shù)次諧波電動(dòng)勢(shì)可通過星形連接消除減弱。整流裝置產(chǎn)生的特征諧波電流次數(shù)與脈動(dòng)數(shù)有關(guān)，脈動(dòng)數(shù)直接關(guān)系到產(chǎn)生諧波的次數(shù)，而且兩者成正比關(guān)系。功率若在數(shù)百kVA之內(nèi)，則使用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)予以調(diào)控，保證電網(wǎng)側(cè)電流最小畸變、維持正弦化傳送，并將功率因數(shù)控制在1左右。

結(jié)語

電能質(zhì)量的控制效果直接關(guān)系電力可持續(xù)發(fā)展及我國(guó)各行各業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，濾除諧波是保證電能質(zhì)量、提高用電安全性的第一步。有源濾波設(shè)備為代表的先進(jìn)諧波治理設(shè)備對(duì)于改善供電系統(tǒng)運(yùn)行效益和順暢性十分重要，有很高的研究?jī)r(jià)值與廣闊應(yīng)用前景。供電系統(tǒng)管理實(shí)際過程應(yīng)引入有源濾波設(shè)備共同使用，控制和消除諧波電流，實(shí)際電網(wǎng)管理還要根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)、環(huán)境等現(xiàn)狀選擇功率、容量和構(gòu)造合適的有源濾波設(shè)備安裝于配電室等處，達(dá)到最佳諧波治療效果，降低能耗、推動(dòng)電力行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

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中圖分類號(hào)：TN713

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