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谐波治理与无源电力滤波器 (上)

近年来,随着工业的快速发展,电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加,其接入电网后会向供电系统注入大量谐波,造成附加的能量损耗以及一系列的谐波危害。

无源电力滤波器抑制电力谐波具有技术成熟、简单有效、价格较低等优点,已得到日益广泛的应用,是治理电力谐波的有效措施。近年来发展的有源滤波器的滤波效果可以不受系统运行方式变化的影响,而且能连续消除谐波,是电力滤波器的发展趋势。

1 电力谐波的产生与危害

当正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时,其电压和电流仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路上时,电流就变成了非正弦波,非正弦波电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变成非正弦波。

所谓“谐波”是指周期性电气分量按傅里叶级数分解,得到的次数大于1的分量。由系统侧观察非线性负载,其负载特性就如同一个线性负载和一系列谐波的发电机,如图1所示。非线性负载从电网中吸收的功率,大部分作为谐波功率返送回系统,造成附加的能量损耗及一系列的谐波危害。

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谐波的危害主要包括以下几个方面:

(1)谐波对旋转电机的影响

电动机吸收谐波电流会引起附加损耗,产生机械振动和噪声,引起谐波过电压。

(2)谐波对变压器的影响

较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热,并导致局部过热,谐波会使变压器的噪音增大。

(3)谐波对输电电缆的影响

由于电缆的分布电容对谐波有放大作用,在电网低谷、电网电压升高时使谐波电压升高,造成电缆局部放电、介损和温升增大,易导致电缆故障;

(4)谐波对通信的干扰和影响

谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导等构成对通信线路的干扰。

(5)谐波对电度计量的影响

对于采用感应系机构的电度表,谐波会引起电度计量的误差,其结果将导致:产生大量谐波的用户少付电费,而线性用户反而多付电费。

(6)谐波对继电保护、自动装置等的影响

在谐波和负序的共同作用下,电力系统中以负序滤过器为启动元件的多种保护和自动装置会产生误动。

2 有关电力系统谐波的国家标准

以上分析表明,谐波有百害而无一利,对电网和大量电力用户设备的安全运行是一种潜在的威胁,为了有效地控制这种危害的发展和减少其危害的程度,国家制定了GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》标准来治理上述“公害”。国标中不仅要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外,还要求用户注入公用电网的谐波电流不得超出国标允许值,否则应采取治理措施。

2.1 谐波电压国标限值

谐波国标中公用电网谐波电压限值见表1。

2.2 谐波电流国标限值

谐波国标中公用电网谐波电流限值见表2。


2.3 谐波电流允许值的换算

当考核点的最小短路容量不同于假定基准最小短路容量时,应按照国标附录B进行换算,换算公式如下

式中 Sk1为公共连接点的最小短路容量,MVA;

Sk2为基准短路容量,MVA;

Ihp为表2中的第h次谐波电流允许值,A;

Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值,A。

按国标附录C的要求,在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值还需用下式进行换算

从图5谐波等效电路可以看出:

从上式可以看出,为了使注入系统的谐波电流尽可能小,应使滤波器的阻抗Zf尽可能小,但由于实际电路中滤波器阻抗不可能为零,所以系统相对于谐波的短路阻抗Zs对滤波效果起了重要的作用。系统短路阻抗越高,即短路容量越小,滤波器的分流作用越大,而注入系统的谐波电流越小。在理想的情况下,如果滤波器的谐振角频率ω正好等于某一次谐波角频率,则对于该次谐波而言,滤波器的阻抗为其最小值R。由于滤波器支路对于该次谐波电流阻抗很小,所以经其分流,可以有效减小注入系统的谐波电流,从而达到抑制谐波的目的。

从图6阻抗频率特性曲线可以看出,在谐波频率下,滤波支路对谐波电流呈现很低的阻抗,通常显著低于电网对谐波的等效阻抗,因此大部分谐波电流将被滤波器分流而不再流入电网,从而得到良好的滤波效果。

对于工频基波电压而言,无源滤波器等效为一个电容器,可补偿负载所需的无功功率。

式中 Ih为第一次换算的第h次谐波电流允许值,A;

Si为第i个用户的用电协议容量,MVA;

St为公共连接点的供电设备容量,MVA;

α为相位叠加系数,按表3取值。


3 无源电力滤波器的工作原理及设计方法

如前所述,大量的谐波电流注入电网,必将导致共用电网的电压波形发生畸变,使电能质量下降,威胁电网和各种用电设备的安全运行。无源电力滤波器不仅可以有效吸收谐波,而且在基波下可以补偿无功功率,因此工程上又称之为谐波治理兼无功补偿装置(FC),是目前最主要的谐波治理装置。

3.1 无源电力滤波器的基本构造与工作原理

通常将产生谐波的负载看作是谐波电流源,无源滤波器的作用是为谐波电流提供一个低阻抗的通路或谐振回路,通过分流非线性负载产生的谐波电流来减少流入电网的谐波电流。

无源电力滤波器由滤波电容器和电抗器串联构成一个串联谐振滤波支路,谐振于需滤除的主要谐波频率。对应于谐波频率,电容器与电抗器的阻抗相匹配,滤波器呈纯阻性,对谐波电流构成分流支路。频率低于谐振频率时,滤波器呈容性;频率高于谐振频率时,滤波器呈感性。

图4和图5分别为无源电力滤波器的主回路原理图及其谐波等效电路。

无源电力滤波器的每个滤波支路只能对应一个串联谐振点,即每个滤波支路只能吸收某一次谐波,当谐波源含有多种频率的谐波时,需要设置多个滤波支路,分别谐振于不同频率。图7中采用的四个谐振支路分别调谐于3次、5次、7次、11次频率时得到的母线阻抗频率特性曲线。