電力系統(tǒng)諧波

1、西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告課程名稱(chēng)： 電能質(zhì)量分析與控制 任課教師： 余健明 論文/研究報(bào)告題目電力系統(tǒng)諧波綜述 完成日期： 2014年 4 月 5 日學(xué) 科： 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 1308080916 姓 名： 魏帥 成 績(jī)： 摘要: 隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電力市場(chǎng)的開(kāi)放，各種非線(xiàn)性元件在電力系統(tǒng)中大量使用，這些非線(xiàn)性元件產(chǎn)生大量的諧波導(dǎo)致電壓和電流的波形產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)諧波對(duì)電力系統(tǒng)其他用電設(shè)備也產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害及影響。本文主要介紹了諧波基本概念、評(píng)價(jià)指標(biāo)，并聯(lián)電容器對(duì)諧波放大的分析及無(wú)源濾波器的原理、參數(shù)和設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞: 諧波； 諧波放大

2、； 無(wú)源濾波器Abstract: With the development of electrical industry and the opening of the electricity market，various electric components of nonlinear that can generate high-order harmonics are widely used in the power system， the harmonics cause the voltage and current waveform distortion and it has been

3、a threat to the safe operation and economic operation of power grids Meanwhile，harmonics have influence and harm to other electrical equipment of power systemThis paper introduces the basic concepts of harmonic, evaluation, principles of shunt capacitors for harmonic analysis and amplified passive f

4、ilter, parameters and design methods.Keywords: harmonic; harmonic amplification; passive filter0 引言20 世紀(jì)80 年代后期，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)3 大技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)得到迅速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品更新?lián)Q代用于各行各業(yè)，電子產(chǎn)品中各種非線(xiàn)性元件的大量使用，對(duì)帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了積極作用，同時(shí)它們作為電源與用電設(shè)備之間的非線(xiàn)性接口，都不可避免的產(chǎn)生非正弦波注入電網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)元件的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅，所以電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題已經(jīng)成為工程管理人員和電力科技領(lǐng)域的重大問(wèn)題。電力系統(tǒng)諧

5、波含量嚴(yán)重上升的原因主要是各種非線(xiàn)性元件的大量使用和電容器組對(duì)諧波的放大和諧振作用。因此本文將主要分析電容器組對(duì)諧波的放大作用及無(wú)源濾波器的工作原理及設(shè)計(jì)方法。1 諧波的基本概念及評(píng)價(jià)指標(biāo)1、1諧波的概念諧波是一種頻率為基波整數(shù)倍的系列正弦波。這些不同頻率、幅值的系列正弦波, 使系統(tǒng)正弦電流、電壓產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)。1、2諧波的產(chǎn)生當(dāng)電力系統(tǒng)向非線(xiàn)性設(shè)備及負(fù)荷供電時(shí), 這些設(shè)備和負(fù)荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所供給的基波能量的同時(shí), 又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量, 向系統(tǒng)倒送大量的高次諧波。使電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形發(fā)生了嚴(yán)重畸變。1、3諧波的評(píng)價(jià)指標(biāo)1 諧波電壓限值：公共電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）

6、限值見(jiàn)表1。表1電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓kV電壓總諧波畸變率%各次諧波電壓含有率 %奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8第h 次諧波電壓含有率： 式中 第h 次諧波電壓(方均根值)； 基波電壓(方均根值)。電壓總諧波畸變率： 其中 為諧波電壓含量：2 諧波電流允許值（1）公共聯(lián)接點(diǎn)的全部用戶(hù)向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過(guò)表2種規(guī)定的允許值。當(dāng)公共聯(lián)接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)。 表2 注入公共聯(lián)接點(diǎn)的諧波電流允許值（第1部分）標(biāo)稱(chēng)電壓kV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A2345678910111

7、2130.3810786239622644192116281324610043342134142411118.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.76650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.7表2：注入公共聯(lián)接點(diǎn)的諧波電流允許值（第2部分）標(biāo)稱(chēng)電壓kV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A1415161718192021222324250.38101

8、1129.7188.6167.88.97.1146.51261006.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.8101003.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1352502.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.5665002.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.61107501.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9注：220kV基準(zhǔn)短路容量取2000 MVA。（2）同一公共聯(lián)接點(diǎn)的每個(gè)用戶(hù)向電網(wǎng)注入的諧波電流允許治按此用戶(hù)在該點(diǎn)的協(xié)議容量與其公共

9、連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。分配的計(jì)算方法見(jiàn)附錄C（補(bǔ)充件）。2 并聯(lián)電容器對(duì)諧波的影響在用戶(hù)供電系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器作為無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，有益于電能的充分利用和電能的節(jié)約。同時(shí),由于供電系統(tǒng)中有大量的非線(xiàn)性負(fù)載,電網(wǎng)又接有沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，如電弧爐、大型軋鋼機(jī)等,在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波。一方面由于電容器諧波阻抗小,系統(tǒng)高次諧波電壓會(huì)在其中產(chǎn)生顯著的高次諧波電流，,使電容器過(guò)熱，,嚴(yán)重影響其使用壽命；另一方面，電容器在高次諧波的作用下，只要參數(shù)配合適當(dāng)， 都可能引起系統(tǒng)諧波嚴(yán)重放大。因此， 必須采取措施加以限制。2、1 電容

10、器對(duì)諧波的放大原理圖1為供電系統(tǒng)并聯(lián)電容后的簡(jiǎn)圖，圖2 為此供電系統(tǒng)的等值電路，根據(jù)等值電路可以求出各支路的諧波電流。設(shè)并聯(lián)電容器基波電抗為，為系統(tǒng)等值感抗，R 為系統(tǒng)等值電阻，為諧波源注入的h次諧波電流。由等值電路圖可得： 圖1 圖2從上面兩個(gè)式子中可以得到，當(dāng)時(shí)， 滿(mǎn)足諧振條件， 并聯(lián)電容器與系統(tǒng)阻抗會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，由于比R 大許多， 發(fā)生諧振時(shí)和 均大于，即諧波電流被放大，并且全部通過(guò)電容器使其過(guò)負(fù)荷。特別是當(dāng)時(shí)，即電容器組回路呈容性時(shí)，諧波的擴(kuò)大可能使母線(xiàn)電壓波形發(fā)生畸變。由 可以得到，諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)為，即當(dāng)諧波源中含有次數(shù)為的諧波時(shí),將引起諧振。若諧波源中含有次數(shù)接近的諧波，雖不會(huì)

11、發(fā)生諧振，但也會(huì)導(dǎo)致該次諧波被放大。無(wú)功補(bǔ)償電容器會(huì)使諧波放大，而諧波放大又會(huì)危害到電容器，電容器由于超溫和過(guò)壓而損壞，同時(shí)， 還會(huì)危及電網(wǎng)中的其他電氣設(shè)備， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電氣設(shè)備損壞， 甚至破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行， 因此， 必須要解決好電容器對(duì)諧波電流的放大問(wèn)題。2、2 串聯(lián)電抗器防止諧波放大并聯(lián)電容器能夠引起諧波放大， 是由于電容器回路在諧波頻率范圍內(nèi)呈出容性。如果在并聯(lián)補(bǔ)償電容器回路中串接一個(gè)電抗器， 通過(guò)選擇電抗值使各次諧波過(guò)補(bǔ)償， 也就是使電容器回路的總電抗呈現(xiàn)出感性而不是容性， 則可消除諧波放大現(xiàn)象。串聯(lián)電抗器的電路圖和等值電路圖如圖3 和圖4 所示。圖3 圖4由等值電路圖可得： 0時(shí)

12、，諧波放大，且當(dāng)=-1時(shí)，諧波放大的程度最大。3 無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)在諧波的治理方法中， 采用無(wú)源濾波裝置是一個(gè)非常普遍和經(jīng)濟(jì)的方法，它通過(guò)調(diào)整電容器和電抗器的參數(shù)， 對(duì)某次諧波（單調(diào)諧濾波器） 或某個(gè)頻率范圍的諧波（高通濾波器、低通濾波器） 呈現(xiàn)非常低阻抗的通道， 從而避免其流入系統(tǒng)。根據(jù)無(wú)源濾波器濾除的諧波頻率特點(diǎn)， 可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、三調(diào)諧濾波器和高通調(diào)諧濾波器以及失諧濾波器。單調(diào)諧濾波器，見(jiàn)圖1（a），主要濾除某一次頻率的諧波電流，做成在某次頻率下串聯(lián)諧振回路，即 。雙調(diào)諧濾波器，見(jiàn)圖1（b），有兩個(gè)諧振頻率，同時(shí)吸收兩個(gè)頻率的諧波，相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。高通調(diào)諧

13、濾波器又稱(chēng)阻尼濾波器，在某一特定的頻率以上時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，以下時(shí)則呈現(xiàn)高阻抗。高通調(diào)諧濾波器從結(jié)構(gòu)上有一階、二階、三階和C 型之分， 二階高通濾波器見(jiàn)圖1（c）， 型濾波器見(jiàn)圖1（d），常用的為二階高通調(diào)諧濾波器。失諧濾波器的諧振頻率通常低于電網(wǎng)的最低次特征諧波頻率， 通常設(shè)定為基波頻率的3 8 4 2 倍， 只能吸收少量諧波， 主要用途是防止諧波放大， 其結(jié)構(gòu)和阻抗特性類(lèi)似于單調(diào)諧濾波器， 只是諧振頻率有區(qū)別。雙調(diào)諧和三調(diào)諧濾波器由于占地少、損耗小，常用于高壓直流輸電系統(tǒng)， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)諧困難，很少用于低壓系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)常采用單調(diào)諧、失諧以及二階高通調(diào)諧濾波器。圖1 單調(diào)諧濾波器 圖3 二階

14、高通濾波器 圖2 雙調(diào)諧濾波器 3、1單調(diào)諧濾波器的參數(shù)及設(shè)計(jì)方法單調(diào)諧濾波器如圖1所示， 濾波器對(duì) 次諧波的阻抗為：式中: 下標(biāo)表示第次單調(diào)諧濾波器的頻率；為基波角頻率。工作原理: 單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成的,諧振次數(shù)為:在諧振點(diǎn)處, , 因很小, 次諧波電流主要由分流, 很少流入電網(wǎng)中, 對(duì)于其他次數(shù)的諧波, , 諧波分流很少。因此, 只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為與需要濾除的諧波次數(shù)一樣, 則該次諧波將流入無(wú)源濾波器, 從而起到濾除該次諧波的目的。單調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)：?jiǎn)握{(diào)諧濾波器由電感L、電容器C 和電阻R組成, 它的工作原理是利用電感和電容對(duì)某次諧波頻率產(chǎn)生串聯(lián)諧振使得濾

15、波器的阻抗很小, 從而把負(fù)載中的該次諧波電流引入濾波器。濾波器對(duì)次諧波的阻抗為式（8）所示，濾波器的諧振頻率如式(9)所示。從式( 3)和式( 4)可以看出, 單調(diào)諧無(wú)源濾波器對(duì)基波的阻抗是呈容性的, 也就是說(shuō), 單調(diào)諧無(wú)源濾波器能夠提供一定的無(wú)功功率。為減少因電網(wǎng)頻率偏差原因使濾波器與系統(tǒng)在特征頻率上出現(xiàn)并聯(lián)諧振的幾率, 在確定單調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率時(shí)應(yīng)將其設(shè)置為稍低于相應(yīng)的特征頻率, 即使濾波器從感性域上接近串聯(lián)諧振。在根據(jù)諧波治理對(duì)象的諧波含量特點(diǎn)確定單調(diào)諧無(wú)源濾波器的具體濾波次數(shù)后, 電容器C和電感L具體參數(shù)設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)方面考慮:確定電容器容量(單位為Mvar) 等于補(bǔ)償諧波源所

16、需要的無(wú)功功率。由來(lái)確定電容器的電抗為: 濾除次諧波, 電抗器大小為:電抗器的電阻為:式中： 為濾波器的品質(zhì)因數(shù), 一般取30<< 100。為次諧波總電抗。特征電抗為:濾波器的容量為:3、2高通濾波器的設(shè)計(jì)圖2所示的二階高通濾波器的阻抗可化簡(jiǎn)為:從二階高通濾波器的結(jié)構(gòu)和以上的阻抗表達(dá)式均可看出, 當(dāng)時(shí), 高通濾波器將轉(zhuǎn)化為單調(diào)諧濾波器, 其諧振頻率為; 當(dāng)時(shí), 濾波器的阻抗為R 所限制。實(shí)際上, 在諧振頻率高于一定頻率之后, 濾波器在很寬的頻帶范圍內(nèi)具有低阻抗特性, 實(shí)現(xiàn)了高通濾波。對(duì)于高通濾波器, 定義 值為: 在高通濾波器中, 定義的值和在單調(diào)諧濾波器中定義的值不同, 但在用值來(lái)反映濾波器的調(diào)諧銳度方面是一致的。在單調(diào)諧濾波器中, 串聯(lián)電阻越小, 其調(diào)諧曲線(xiàn)越尖銳。而在高通濾波器中, 電阻與電感是并聯(lián)連接的, 電阻值越大, 調(diào)諧曲線(xiàn)越尖銳。在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí), 首先要確定所抑制的諧波次數(shù)。根據(jù)已經(jīng)采用的單調(diào)諧濾波器的匹配情況, 并考慮濾波對(duì)象的諧波情況, 確定高通濾波器所要抑制的諧波次數(shù)。高通濾波器的特性可以由以下兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述: 式中稱(chēng)為截止頻率, 高通濾波器的截至頻率一般選為略高于所裝設(shè)的單調(diào)諧濾波器的最高特征諧波頻率;在頻率的頻率范圍內(nèi),濾