高壓直流輸電系統(tǒng)中諧波的抑制

馮文斌

華電忻州廣宇煤電有限公司 山西忻州 034000

1 諧波的概念

諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉分析原理證明,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅值與相角。諧波分為偶次與奇次,第3、5、7、9等次的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波,如基波為50Hz時(shí),2次諧波為100Hz,3次諧波則是150Hz。一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對(duì)稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載,出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。應(yīng)該注意,我們所指的諧波是穩(wěn)態(tài)的工頻整數(shù)倍數(shù)的波形,電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇；諧波與頻率低于工頻基波頻率的分量和頻率非基波頻率整倍數(shù)的分量有定義上的區(qū)別。

2 諧波的危害

電網(wǎng)中的高次諧波會(huì)造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器過熱,使電力電容器組工作不正常,對(duì)電機(jī)、變壓器、電容器、電纜等設(shè)備造成振動(dòng)、過熱、絕緣老化,嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命甚至直接造成設(shè)備損壞；對(duì)電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、繼電保護(hù)自動(dòng)裝置和電能計(jì)量等也有很大的危害,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)作,造成重大事故；諧波污染還可能對(duì)通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高精度加工機(jī)械、檢測(cè)儀表等用電設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾。

3 諧波的抑制

為保證供電質(zhì)量、凈化電網(wǎng),防止諧波對(duì)電網(wǎng)及各種電力設(shè)備的危害,除要對(duì)發(fā)、供、用電系統(tǒng)加強(qiáng)管理外,還必須采取必要的措施來抑制諧波。抑制諧波應(yīng)從以下兩個(gè)方面來考慮：一是產(chǎn)生諧波的非線性負(fù)荷；二是受危害的電力設(shè)備和裝置。

在電容器回路串接電抗器來抑制諧波,這種方法實(shí)際上是利用無功補(bǔ)償用的電容器來抑制諧波。在電容器回路串接電抗器組成濾波器,是目前國內(nèi)外抑制諧波所廣泛采取的措施。即形成一個(gè)對(duì)n次諧波串聯(lián)諧振的回路.實(shí)際采用的是3次諧波濾波器串聯(lián)13%的電抗器,5次諧波濾波器串聯(lián)6%的電抗器,并不是正好地采用11%和4%的值,稍大一點(diǎn)是為了使電容器回路阻抗呈感性和避免完全諧振時(shí)電容器的過電流。

在諧波源處就近安裝濾波器,是在諧波源設(shè)備已經(jīng)確定的情況下,防止諧波電流注入電網(wǎng)的有效措施。安裝濾波器的基本原則是：靠近諧波源吸收諧波電流。因?yàn)榇街C波電流注入高壓電網(wǎng)后再采取措施,無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是不合理的。

濾波器由R、L、C組成,除廣泛使用的交流濾波器外,還有利用時(shí)域補(bǔ)償原理的有源濾波器,能做到適時(shí)補(bǔ)償,且不增加電網(wǎng)的容性元件,通過監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)諧波狀況,在線計(jì)算出所含諧波分量,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),去控制可關(guān)斷功率器件一般是IGBT構(gòu)成的逆變電路,產(chǎn)生所需補(bǔ)償?shù)碾娏髦C波分量,并聯(lián)接入產(chǎn)生諧波的主回路中,達(dá)到迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤抑制諧波的效果。

提高供電系統(tǒng)容量是抑制諧波影響和危害的重要措施之一。加大供電系統(tǒng)容量,供電系統(tǒng)等值短路阻抗將減小,母線諧波電壓水平就降低；選擇合理的供電電壓也可以降低諧波影響和危害,高壓電網(wǎng)的短路容量大,有承擔(dān)較大諧波的能力,所以大容量的諧波設(shè)備,可以由更高一級(jí)電網(wǎng)供電。隨著電器產(chǎn)品制造技術(shù)的提高,已能制造出高電壓大容量的濾波裝置。所以應(yīng)在詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證后,確定選用大容量濾波器或用更高一級(jí)的電壓供電。選擇系統(tǒng)與變壓器的接線方式以便把三的倍數(shù)次諧波的產(chǎn)生減至最小。例如采用星形三角形接線,三角形側(cè)諧波無法流出。

高壓直流(HVDC)輸電在遠(yuǎn)距離、大容量方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而換流變壓器是一大功率、非線性電子元器件，在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量非特征和特征諧波，對(duì)供電質(zhì)量是一種“污染”，嚴(yán)重干擾周圍通信系統(tǒng)，而且使輸電系統(tǒng)電氣設(shè)備發(fā)熱而損壞，嚴(yán)重時(shí)在輸電系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)和串聯(lián)諧振。目前抑制諧波的方法有兩種，一種是增加換流器的脈波數(shù)，另一種是裝設(shè)交流濾波器和直流濾波器。直流工程中采用6脈波和12脈波換流器并配置濾波器比采用24脈波更經(jīng)濟(jì)。而濾波方法分為疏導(dǎo)法，如串聯(lián)調(diào)諧濾波器與主電路并聯(lián)，阻塞法如平波電抗器與主電路串聯(lián)，考慮到經(jīng)濟(jì)和濾波效果，交流側(cè)主要采用交流濾波器，直流側(cè)采用平波電抗器和直流濾波器。

4 結(jié)語

直流輸電在我國電網(wǎng)的發(fā)展中將占有非常重要的位置。我國要著力發(fā)展直流輸電技術(shù)，在設(shè)備制造方面要使引進(jìn)的技術(shù)形成規(guī)模的國產(chǎn)化生產(chǎn)能力，要結(jié)合我國在世界上無與倫比的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究相應(yīng)的控制保護(hù)技術(shù)和系統(tǒng)穩(wěn)定技術(shù)，研究提高直流輸電可靠性的技術(shù)，研究多回路直流相對(duì)集中送出和饋入的問題，研究符合中國特點(diǎn)的運(yùn)行技術(shù)。我們?cè)诟櫴澜缟现绷鬏旊娦录夹g(shù)發(fā)展研究的同時(shí)，要研究開發(fā)具有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。直流輸電技術(shù)的研究必定會(huì)帶動(dòng)靈活交流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，帶動(dòng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)（包括配電系統(tǒng)）應(yīng)用新的技術(shù)進(jìn)行改造和再裝備。同時(shí)，我們一定要做好直流輸電的研究、規(guī)劃、建設(shè)工作，這是我國電網(wǎng)發(fā)展的需要。