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        技術支持

        電力系統諧波治理的基本方法

        添加時間:2016-01-25 16:55:30  瀏覽次數: 次  :

        一、電力系統中諧波的來源
               電力系統中的諧波來自電氣設備,也就是說來自發電設備和用電設備。由于發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波,因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發電機有兩大類:隱極機和凸極機。隱       極機多用于汽輪發電機,凸極機多用于水輪發電機。
               對于諧波分量而言,隱極機優于凸極機,但隨著科技進步,可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入,使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時,由于電機的磁飽和,會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓過額定電壓10%以上時,也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網電壓偏移在±7%以下,所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小,比國家的考核標準低的多,因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。
               為此,影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備,也就是說非線性用電設備是主要的諧波源,非線性用電設備主要有以下四大類:
               電弧加熱設備:如電弧爐、電焊機等。
               交流整流的直流用電設備:如電力機車、電解、電鍍等。
               交流整流再逆變用電設備:如變頻調速、變頻空調等。
               開關電源設備:如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
               這些用電設備都是非線性用電設備,但它們產生的諧波各不相同,具體舉例分析如下:
               電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧,才會有弧電流,并且滅弧電壓略低于起弧電壓,造成弧電流與弧電壓的非線性。
               此外,弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波,造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大,而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少,電焊機應用的同時率就更小了,對整個電網的影響比較小,但在當時已發現在燒電焊時,局部低壓電網的電壓和電流變化很大,有較大的諧波影響。
               交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由于整流設備有一個閥電壓,在小于閥電壓時,電流為零(如圖圖所示)。這類用電設備為了提供平穩的直流電源,在整流設備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感),從而使閥電壓提高,加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流,在整流設備中應用了可控硅,這使得該類設備的諧波污染更嚴重,而且諧波的次數比較低。
               交流整流再逆變用電設備,在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣,它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流,這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波,也有高次諧波。
               雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小,但它的分布面廣,數量多,是目前推廣使用的技術手段,因此它的諧波污染應引起足夠關注。
               開關電源設備目前應用很廣,它的工作原理是先把交流整流成直流,通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉,從而在變壓器二次側感應出電流,供給用電設備。此外,開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右,不僅在整流時產生諧波,而且在開關管開閉時,反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單臺容量不大,但它是應用面廣、量大的非線性用電設備,它還有一定量的三次諧波,造成配變的中心線電流居高不下,而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網。
        二、諧波治理的基本方法
               目前諧波治理的基本方法有以下三種,在治理過程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電設備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則,應該在非線性用電設備處分散治理。但對于電腦,彩電,節能燈等民用設備,則只能進行集中治理。
               1、減少非線性用電設備與電源間的電氣距離。也就是減少系統阻抗,換句話說就是提高供電電壓等級。例如,在麗水電業局的遂昌鋼廠就取得了不錯效果,該鋼廠原是用35kV供電,由兩個110kV變電所各架設一回35kV專線供電,而它的主要用電設備是電弧爐,雖然進行了五次、七次諧波治理,但在110kV的35kV母線上測得諧波分量仍接近或國家標準。但在麗水局在遂昌新建了一個220kV變電所而且離該鋼廠僅4km左右,用5回35kV專線供電,使35kV母線的諧波分量控制在國家標準以內,此外該廠還使用了較大容量的同步發電機,使這些非線性負荷的電氣距離大大下降,使該廠生產的諧波對電網的危害性下降,這種方法投資是大的,往往需要和電網發展規劃相協調。
               2、諧波的隔離。非線性用電設備產生的諧波,它不僅直接影響到本級電網,而且經過變壓器后,還會影響到上幾級電網。如何把這些非線性用電設備產生的諧波不影響或少影響其他幾級電網,這也是諧波治理的一個基本方法。這一方法在電網中廣泛采用,發電機發出的電能經過Y/△、Y0/△、Y0/Y等接線組別的變壓器,把發電機產生的三次、九次等零序分量的諧波與上級電網隔離開來,因此在110kV以上高壓電網上,三、九次諧波分量很小,幾乎是零。而10kV由于大多數配變為Y/Y0接線,35kV也有少量Y/Y0接線的直配變,因此在10kV和35kV系統中三、九次諧波分量會比高壓電網大。為了減少低壓對10kV電網的影響,我局現在10kV配電系統中推廣使用了D,yn11接線組別的配電變壓器,有效的減少了三、九次諧波的影響。
               3、安裝濾波器。目前對變電所側和用戶側諧波治理的方法,多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。
               有源濾波器的基本工作原理是把電源側的電流波型與正弦波相比較,差額部分由有源濾波器進行補償,這是諧波治理的發展方向。目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高,而且成本很高,因此在現階段不可能大量推廣應用。隨著科學技術的發展,功率電子元件的成本下降,這一技術一定會在諧波治理上占主導地位的。
               無源濾波器是通過L、C串聯或并聯,使其在某次諧波產生諧振,當發生串聯諧振時,使濾波器兩端該次諧波的電壓很小,幾乎接近零,這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處,從而使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小,達到對該次諧波治理的目的。串聯無源濾波器多用于對五、七、十一次諧波治理中,而且往往同時采用兩組以上濾波器,諧振在五、七次,同時起補償電容器組的作用。目前,在電力行業中,它多用于35kV和110kV變電所的10kV母線上,兩組濾波器中的電容器容量大于變電所無功補償容量,串聯電感后,諧振在五、七次諧波頻率中,使無源濾波器一物二用,具體計算公式如下:
               當無源濾波器中,L、C串聯諧振在n次諧波頻率時,。
               電容器和電感在工頻時的參數:
               Xc=n2XL得,當n=5時,Xc=52XL=25XL
               Uc=1.04U,Qc=1.04QLC
               當n=7時,Xc=72XL=49XL,Uc=1.02U,Qc=1.02QLC
               一般在電容器無串聯電感時,電網額定電壓為10kV,變壓所母線電壓在10.5kV以上,電容器額定電壓多選用11kV/。因此,用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11.5kV/或12kV/,用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11kV/。
               但是由于計算精度和電容器、電感器的制造精度等原因,若按計算結果數據來配備,在標準化審查時就通不過,為了保證串聯濾波器能在五、七次諧波頻率時諧振,我們要求電感有一定的調節范圍,從而確保濾波器能正常工作。具體調試方法如下圖,調節電感,在諧波分析儀中該次諧波值小時,則認為濾波器已調試成功。
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