劉昌明

1 建筑配電系統(tǒng)諧波的危害

諧波電壓和諧波電流對(duì)配電系統(tǒng)是一種污染，不但使建筑中的電氣設(shè)備與電子設(shè)備及智能化系統(tǒng)用電環(huán)境惡化，并對(duì)周?chē)耐ㄐ畔到y(tǒng)甚至配電系統(tǒng)以外的設(shè)備造成危害。

諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的損失增大，將使電機(jī)發(fā)熱增加，老化加快;諧波的脈動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸將產(chǎn)生振動(dòng);諧波會(huì)對(duì)斷路器、漏電保護(hù)器、熔斷器、繼電器等保護(hù)、自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動(dòng)或拒動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)高次諧波含量較高的時(shí)候，電流會(huì)使斷路器的整個(gè)分?jǐn)嗄芰档?使照明設(shè)施的壽命縮短，特別是白熾燈光源;諧波過(guò)大，使電能計(jì)量?jī)x表產(chǎn)生更大的誤差;對(duì)鄰近通信線路，諧波電壓會(huì)產(chǎn)生靜電干擾，諧波電流將產(chǎn)生電磁干擾;由于諧波的存在，使得許多無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)不能正常地投入使用，使得功率因數(shù)低，電網(wǎng)的網(wǎng)損增加;諧波電流使配電線路損耗增大，輸電能力降低;另外，電纜的分布電容可以使整個(gè)諧波逐漸放大，當(dāng)諧波流過(guò)電力電纜以后，就會(huì)產(chǎn)生許多的集膚效應(yīng)，并不斷的加重，使得整個(gè)電纜出現(xiàn)發(fā)熱的情況，耗損變大;諧波對(duì)電子設(shè)備的不良影響主要有：對(duì)過(guò)零檢測(cè)以基波頻率為基準(zhǔn)的電子設(shè)備，因諧波的影響造成過(guò)零誤動(dòng)作，從而破壞電子設(shè)備的正常運(yùn)行;電壓突變產(chǎn)生的dv/dt，造成電子設(shè)備損壞或誤動(dòng)作;諧波對(duì)電力電容器的損害極容易引起電網(wǎng)與用于補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生串、并聯(lián)諧振。

2 諧波治理措施

治理諧波的措施有兩種：1)設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都適用;2)合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)接近為1。

2.1 合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，選用低諧波源用電設(shè)備

1)采用D，yn型配電變壓器。在D，yn聯(lián)結(jié)組變壓器中，3n次諧波勵(lì)磁電流在其接線的一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，不注入到公共的高壓電網(wǎng)中去，較一次繞組Y接線的Y，yn聯(lián)結(jié)組變壓器更有利于抑制諧波。2)對(duì)變流器本身進(jìn)行改造，采用高功率因數(shù)變流器。a.采用整流電路的多重化。采用整流電路的多重化來(lái)減少諧波是一種傳統(tǒng)方法。將幾個(gè)橋式整流電路以串聯(lián)方式多重聯(lián)結(jié)可以減少輸入電流諧波，用該方法構(gòu)成的整流器對(duì)抑制諧波比較有效，但對(duì)功率因數(shù)的提高不明顯。b.采用PWM整流電路。PWM整流電路有電壓型和電流型兩種，其中電壓型應(yīng)用較多。通過(guò)對(duì)PWM整流電路適當(dāng)控制，可以使PWM整流電路輸入電流幾乎接近正弦波，且電流電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，稱(chēng)為高功率因數(shù)變流器。c.采用帶斬波器的二極管整流電路。帶電容濾波的二極管整流電路盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但工作時(shí)輸入電流含有大量諧波，若在整流橋與濾波電容間加一級(jí)用于功率因數(shù)校正的功率轉(zhuǎn)換電路，則可以使輸入電流接近正弦波，且大大提高功率因數(shù)。d.矩陣式變頻電路。該電路是一種用全控開(kāi)關(guān)器件、采用斬波方式，不通過(guò)中間環(huán)節(jié)直接把一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。3)合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，將非線性負(fù)荷與敏感負(fù)荷分開(kāi)，分別由不同母線供電。4)有變頻控制需要的用電設(shè)備，其變頻裝置應(yīng)盡量靠近被控設(shè)備安裝，并抑制諧波;對(duì)一些諧波源較大的回路就地設(shè)置有源濾波器。5)適當(dāng)增大回路中配電線的線徑，減小諧波電流對(duì)導(dǎo)線的影響和避免電氣火災(zāi)。6)嚴(yán)格選用符合電磁兼容性要求的電力電纜、信號(hào)電纜及通信電纜。

2.2 設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波

1)無(wú)源電力濾波器。無(wú)源電力濾波器由一組串并聯(lián)的電容器、電感器和電阻元件構(gòu)成，利用其在某一諧波頻率下諧振時(shí)的低阻抗?fàn)顟B(tài)對(duì)諧波形成分流，從而降低注入電網(wǎng)的諧波電流起到濾波作用。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，因此無(wú)源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍?/p>

另外，無(wú)源濾波器濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)。在某一諧波頻率串聯(lián)諧振時(shí)形成低阻抗對(duì)諧波分流時(shí)，會(huì)在相鄰的較低頻率和系統(tǒng)阻抗并聯(lián)諧振形成高阻抗。如并聯(lián)諧振點(diǎn)發(fā)生在整數(shù)次諧波且該次諧波有相當(dāng)數(shù)量的諧波電流，則可能導(dǎo)致高電壓和大電流，引起高頻放電、過(guò)流跳閘等問(wèn)題。

2)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是電網(wǎng)中控制無(wú)功功率的工具，它根據(jù)無(wú)功功率的需求量自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，所以是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。除了可抑制諧波以外，特別適合于抑制快速變化的諧波源所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變。三相SVC有抑制三相不平衡的作用。SVC使用晶閘管來(lái)快速調(diào)整并聯(lián)電抗器的大小及投切電容器組，并可兼有事故時(shí)的電壓支持作用，維護(hù)電壓水平，消除電壓閃變、平息系統(tǒng)振蕩等?？梢造o態(tài)或動(dòng)態(tài)地使電壓保持在一定范圍內(nèi)，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)有源電力濾波器(APF)。圖1為電力有源濾波器基本原理圖。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng);可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié);補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大;即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能發(fā)生正常補(bǔ)償作用;受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振;能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響;既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功集中補(bǔ)償。

4)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償(UPQC)。為有效抑制建筑中大量的單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波和無(wú)功功率，提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，一種由SAPF和PAPF組成的有源電力濾波器UPQC產(chǎn)生。該裝置的SAPF進(jìn)行電壓補(bǔ)償，PAPF進(jìn)行電流補(bǔ)償。對(duì)用戶(hù)端來(lái)說(shuō)，它能有效地補(bǔ)償市電中諧波，防止市電中的諧波污染負(fù)載，為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電能。用UPQC補(bǔ)償后的配電系統(tǒng)將成為一個(gè)無(wú)電壓閃變、無(wú)電壓波動(dòng)、無(wú)諧波的實(shí)時(shí)化柔性供電網(wǎng)。圖2為一臺(tái)單相UPQC綜合治理單相配電系統(tǒng)的方案。

5)諧波保護(hù)器。諧波保護(hù)器能從源頭消除諧波污染，為用電設(shè)備提供諧波保護(hù)，是一種并聯(lián)在用戶(hù)電路中的電力裝置，可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中電流的狀態(tài)，同時(shí)阻隔并吸收電路中的高次諧波，使各類(lèi)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波不干擾其他設(shè)備。諧波保護(hù)器可對(duì)波形進(jìn)行糾正，在消除諧波的同時(shí)，可消除對(duì)用電設(shè)備極具破壞性的浪涌電壓、尖峰信號(hào)等雜波，從而使各相電路中的電流、電壓趨于平衡，相位差保持一致，充分發(fā)揮了各類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)功能。當(dāng)消除諧波后，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)將會(huì)大大減少，可避免導(dǎo)體的溫度升高。另外，由于導(dǎo)體中高頻諧波引起的渦流現(xiàn)象，會(huì)造成大量的能量損失。使用諧波保護(hù)器以后，可以很好地消除電流渦流，降低損耗。

6)諧波抵消電抗器。在涉及大電流時(shí)采用磁性方法治理諧波比有源濾波器有更低的成本。用磁場(chǎng)相互抵消方法解決諧波問(wèn)題，沒(méi)有電容器，僅僅是磁性設(shè)計(jì)方案，因此具有很高的可靠性與使用壽命;對(duì)3次序列諧波，即3次諧波的奇數(shù)整數(shù)倍(如3，9，15，21，27)的治理，采用低的零序阻抗;對(duì)5，7，9，11，13等次諧波的治理采用相移辦法，對(duì)3次諧波有很低阻抗，能清除3次諧波和中性線對(duì)地電壓，它與負(fù)載并聯(lián)連接，安裝在配電柜內(nèi)或豎井中，成本低，降低不平衡電流。

3 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，利用功率開(kāi)關(guān)的有源電力濾波器(APF)的研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注，被認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波的最有前途的方法。有源電力濾波器的工業(yè)應(yīng)用尚處于初期階段，日本和美國(guó)已有此類(lèi)產(chǎn)品投入實(shí)際運(yùn)行。我國(guó)還處于研制階段，有關(guān)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化實(shí)驗(yàn)階段，到目前為止，有源電力濾波器還未能在我國(guó)得到廣泛運(yùn)用。

近來(lái)，國(guó)外又提出了“用戶(hù)電力技術(shù)”(Custom Power Technology)這一解決諧波及無(wú)功功率問(wèn)題的新概念，即使用電力電子技術(shù)提高供電可靠性并實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量嚴(yán)格控制。用戶(hù)電力技術(shù)是將現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等高新技術(shù)結(jié)合，為用戶(hù)提供特定要求的電力供應(yīng)的技術(shù)。將它運(yùn)用于中、低配電系統(tǒng)，能有效地抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率，消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓不對(duì)稱(chēng)，從而提高供電的安全性和可靠性。

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