電力系統(tǒng)諧波對繼電保護的影響

史曉信

【摘 要】隨著經(jīng)濟和科技水平的快速發(fā)展，近年來，配電網(wǎng)系統(tǒng)不斷發(fā)展，家用電器、換流器以及變頻調(diào)速等設(shè)備逐年增加，其在電力系統(tǒng)中的電流與電壓用電特性會發(fā)生一定的變化，進而產(chǎn)生諧波，其一方面會對供電質(zhì)量產(chǎn)生污染，另一方面會給社會經(jīng)濟帶來一定的損失，因此對電力系統(tǒng)諧波檢測及抑制控制尤為重要。

【關(guān)鍵詞】諧波危害;無源濾波;有源濾波

引言

隨著電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛運用，非線性型電力負(fù)荷與沖擊性電力負(fù)荷在電網(wǎng)中的占比越來越大，而諧波污染在電力系統(tǒng)里的出現(xiàn)也越來越頻繁，電網(wǎng)供給給用戶的電能質(zhì)量受到了影響。文章首先分析了電力系統(tǒng)諧波成因，然后總結(jié)了應(yīng)對電力系統(tǒng)諧波危害的措施。

1概述

電力諧波（Theelectricpowerharmonic），即電力系統(tǒng)電流中與工頻頻率不同的成分。諧波產(chǎn)生的根本原因為電壓加在非線性負(fù)載兩端，產(chǎn)生了跟電壓不一致的電流波形，即電路產(chǎn)生了諧波。諧波頻率一般為基波頻率的整數(shù)倍。根據(jù)傅里葉定理，波形可以分為基波頻率和整數(shù)倍基波頻率的正弦波代數(shù)和。以產(chǎn)生的源頭分類，諧波可分為發(fā)電裝置質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波、輸配電過程產(chǎn)生的諧波以及電力用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波。當(dāng)電網(wǎng)含有大量諧波的時候，電能的傳輸、利用的效率會降低，并且諧波會使得電力設(shè)備發(fā)熱、絕緣老化加速，甚至使得斷路器誤操作引發(fā)安全問題。

2諧波的危害

在電力系統(tǒng)當(dāng)中產(chǎn)生大量的諧波，會對電力系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生一定的影響。諧波電流的問題產(chǎn)生，不僅會造成電路和發(fā)電機內(nèi)部形成功能損耗，以及設(shè)備內(nèi)部工作溫度不斷升高，而且也會造成發(fā)電機電動機或者是大型變壓器形成較強的震動和較大的聲響。在產(chǎn)生一些比較低的諧波當(dāng)中，會造成系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換裝置工作的電流不穩(wěn)定，同時諧波的電流也會對通信和繼電器裝置形成不良的影響。產(chǎn)生干擾的情況下，會造成電話通信之間的影響問題，同時還可能形成繼電保護裝置內(nèi)部錯誤和異動的情況。如果電力系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波程度相對較大，會對內(nèi)部的消弧線圈的滅弧作用產(chǎn)生不良的影響，造成單相電力工作失效的問題。如果不能及時采取相應(yīng)的解決措施，那么會嚴(yán)重地影響到自動電閘的開合時間。大量諧波的產(chǎn)生會造成內(nèi)部電容器的損壞，在電力系統(tǒng)工作當(dāng)中諧波對外部電容器的影響比較明顯，大量諧波的產(chǎn)生會加大介質(zhì)的整體損耗程度;同時諧波的產(chǎn)生次數(shù)和產(chǎn)生的量越大，那么所造成的電壓以及電網(wǎng)的損壞程度越明顯。主要表現(xiàn)在電力系統(tǒng)當(dāng)中，電容器的工作溫度不斷提高，同時電容器的溫度升高會造成內(nèi)部介質(zhì)的損壞程度加大，如此循環(huán)下去最終造成了電容器被高溫?fù)p壞。

3電力系統(tǒng)中的諧波抑制技術(shù)

3.1利用無源濾波器

無源濾波器依據(jù)的是諧振原理，在濾波電路的作用下對需消除的高次諧波予以調(diào)諧處理，該抑制技術(shù)能夠確保諧振阻抗達到最低，只要將其安置在諧波附近便能夠?qū)χC波電流進行吸收，防止諧波電流進入電網(wǎng)，對諧波產(chǎn)生抑制作用。常見的無源濾波器有以下幾種：（1）單調(diào)諧濾波器，其主要針對某一次諧波進行設(shè)計，相當(dāng)于一個低阻通道，一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)該次濾波便能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生容抗作用，將諧波消除。（2）雙調(diào)諧濾波器。其由兩個單調(diào)諧濾波器并聯(lián)而成，能夠同時對兩種頻率濾波進行吸收，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但對基波損耗小。（3）二階減幅濾波器。其主要是與單調(diào)諧波濾波器配合使用，對高于某次的諧波阻抗相對較小，能夠?qū)⒏哂谠摯我陨系闹C波進行濾除，其不僅能夠減少對濾波器的損耗，而且阻抗頻率特性好，應(yīng)用廣泛。

3.2利用有源電力濾波器

有源電力濾波器具有較快的響應(yīng)速度與高度可控性，一方面能夠?qū)Ω鞔螢V波起到補償作用，另一方面能夠?qū)﹄妷洪W變起到抑制作用，對無功電流予以補償，且體積與質(zhì)量較小、便于攜帶。有源電力濾波器自適應(yīng)能力較強，能夠?qū)ρa償變化中的諧波進行自動跟蹤及補償，對于頻率及幅值不斷變化中的諧波也能夠進行補償，且無需較大的元件，響應(yīng)速度快，不會受到電網(wǎng)阻抗的影響，能夠避免電網(wǎng)阻抗的諧振風(fēng)險，對串并聯(lián)諧振現(xiàn)象起到抑制作用。除此之外，在有源電力濾波器作用下，采用一臺裝置便能夠?qū)崿F(xiàn)對多次諧波電流以及非整數(shù)倍次諧波電流的同時補償，在補償期間還可以選擇集中補償或單獨補償，效率高。但該抑制方式也存在一定的不足，經(jīng)過改進及元件的增加，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本有所增加。

3.3利用主動諧波抑制

諧波產(chǎn)生原理認(rèn)為當(dāng)整流相數(shù)增加時，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近。以晶匣管三相橋式整流電路為例，其中僅有n次奇次諧波，高次諧波振幅值更低，提示諧波次數(shù)的增加會降低振幅值。另外采用波形疊加法也能夠?qū)χC波進行抑制。采用兩臺逆變器，能夠確保其電壓在副邊出現(xiàn)疊加，輸出波形半周內(nèi)都會保持60度間隙，此時第二胎逆變器較第一臺會出現(xiàn)36度波形相移。那么在變壓器副邊上五次諧波能夠?qū)崿F(xiàn)同時抵消，效率較高。

3.4整流電路的多重化

整流電路實現(xiàn)多重化，也就是實現(xiàn)多個方波的疊加，可以實現(xiàn)對次數(shù)較低諧波起到消除作用，能夠獲取和正弦波比較接近的階梯波。重數(shù)越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在過程中的電路復(fù)雜度也會提升。所以這一方法只能夠在大容量場合中應(yīng)用。同時，這一方法不但能夠降低交流輸入電流諧波，也有助于降低直流輸出電壓中的諧波幅值，與此同時也有助于提升紋波頻率。這一方法在應(yīng)用中實現(xiàn)和PWM技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，也就能夠獲取更好的諧波抑制效果，這一方法在橋式整流電路中的應(yīng)用，有助于降低輸入電流的諧波。

3.5增加整流變壓器二次側(cè)整流相數(shù)

針對帶有整流元件設(shè)備，可以最大化提高整流相數(shù)或脈動數(shù)，能夠?qū)Φ痛翁卣髦C波起到良好的消除作用，這一措施在應(yīng)用能夠降低諧波源出現(xiàn)的諧波含量，通常在工程設(shè)計中也就需要考慮到這一點。整流器在整個供電系統(tǒng)中屬于是一個重要的諧波源，因此在交流側(cè)出現(xiàn)的高次諧波是tK1次諧波，所以在整流裝置中的6脈動諧波次數(shù)為n=6K1，在對其相數(shù)提高到12脈動情況下，所得到的諧波次數(shù)為n=12K1（其中K為正整數(shù)），以此即能夠?qū)?、7等次諧波起到消除作用，所以在諧波抑制中加大整流的相數(shù)或脈動數(shù)，能夠?qū)Φ痛沃C波起到良好的消除作用。但是這一方法在應(yīng)用中目前還處于理論階段，實際中因為投資較高，但是所取到的諧波消除效果不夠顯著，因此通常是將這一方法應(yīng)用在大容量的整流裝置負(fù)載。

結(jié)語

隨著電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛運用，非線性型電力負(fù)荷與沖擊性電力負(fù)荷在電網(wǎng)中的占比越來越大，而諧波污染在電力系統(tǒng)里的出現(xiàn)也越來越頻繁，電網(wǎng)供給給用戶的電能質(zhì)量受到了影響。電力系統(tǒng)得到了前所未有的發(fā)展，接入設(shè)備不斷豐富、類型多樣，其在一定程度上增加了電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此，必須加強對電力系統(tǒng)諧波問題的重視度，給予有效的檢測與抑制處理，降低諧波危害。

參考文獻：

[1]謝小榮，王銀，劉華坤，等.電力系統(tǒng)次同步和超同步諧波相量的檢測方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（21）：189-194.

[2]李婷.基于可調(diào)Q因子的煤礦井下電力系統(tǒng)諧波檢測與抑制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國礦業(yè)，2017，26（4）：162-165.

[3]曹英麗，尹希哲.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和全相位快速傅里葉變換的電力系統(tǒng)諧波檢測技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（1）：125-128.

（作者單位：山東博聞信通電力工程設(shè)計有限公司）