论文谐波交互作用和谐波不稳定性报告

谐波交互作用和谐波不稳定性摘要：在供电系统中谐波的出现已经有许多年了。所谓谐波，是一个数学或物理学概念，指周期函数或周期性的波形中不能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。本文分析了谐波产生的主要原因，以及其中交互作用，从谐波的不稳定性分析到谐波产生的危害，进而列举出一些治理谐波危害的方法。关键字：谐波，交互作用，不稳定性，谐波危害1.谐波的产生在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。但此种情况过于理想，一般情况下，我们所研究的电路基本上都有谐波产生。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。电网谐波来自于以下三个方面：一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。三是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。2.谐波的交互作用当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备和负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波。使电力系统中的电压和电流波形发生了严重畸变。而随着国家“西电东送,南北互供,全国联网”能源发展战略的逐步实施,国内各大区域电网间将出现前所未有的远距离大容量输电格局，这也给我们电力系统带来了压力。随着西电东送线路和容量的增加，交直流并联运行系统的相互影响也越来越大。在直流输电系统中,谐波的交互作用不仅会通过换流器产生,也会通过整个交流网络形成。对于传统的单馈入直流输电系统来说，当直流输电容量相对于交流系统总容量而言不太大时，直流系统和交流系统问的相互作用和相应动态特性一般可以用现有的各种手段来进行控制。但对于大规模的多馈入直流输电系统来说，多条直流若同时与交流系统相互作用，由于直流总容量的比重大大加大，各条输电线路电压等级较高、输送功率较大且电气距离又比较近,可能造成巨大的冲击，以致于常规控制手段可能根本无法缓和这冲击。此时当交流系统或任一直流系统发生故障时,交、直流系统之间就会相互影响，从而对整个电网安全稳定性也产生影响。在单馈入直流输电系统研究中，常用短路比SCR表示交流系统的强弱，该值即为图l(a)中的交流系统等值导纳的标幺值。若考虑直流换流站交流侧母线的并联电容器的影响，通常采用有效短路比ESCR，其中cbZESCR1，EscR的典型值范围为2(受端弱系统)到4(受端强系统)。对于多馈入直流输电系统来说，则可使用折算到各个直流子系统自身容量的ESCR来分析某一回直流线路和交流系统的相互作用，或采用公共的HVDC等值容量计算ESCR，以便进行相互比较。如图l(b)中的系统，可设容量比21ddPPPBR，则以HVDc-1的直流容量为基值时，)1(1222cbZPBRESCR。由上述分析可以看出，单馈入系统和多馈入系统一样，交流系统的强度差不多都主要表现为换流器接入点处交流系统的等效阻抗和交流系统自身的机械惯性，这在很大程度上会影响高压系统的交互作用。当多馈入直流输电系统发生故障时，换流器换相失败后，将导致直流电压下降、电流增大，若采取的协调控制措施不当，还会引发后继的换相失败，最终导致直流传输功率的中断。当这种故障发生在送端交流电网时,整流侧谐波可能振荡放大,发生谐波不稳定现象,甚至引起直流输电系统单极或双极闭锁,这时当地电网将承受电网本身故障和直流闭锁的双重冲击;而任一直流线路本身故障必将导致该直流单极或双极闭锁,对送端电网以及其他几条直流线路的冲击也十分巨大,此后虽然直流系统还有一个恢复过程,但这与交流系统的运行状态也密切相关。交、直流网络之间存在着动态的谐波相互作用,这取决于换流器侧交流网络的结构、运行条件、负荷水平等,可能产生极为不利的谐波交叉调制、谐波放大、谐波谐振或谐波不稳定。直流输电引起的谐波不稳定性是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减甚至放大的现象，主要表现为换流站母线电压严重畸变。总而言之，交、直流侧电压、电流通过换流站构成一个AC/DC间的非线性正反馈闭环并互相调制是谐波不稳定的本质机理。发生写谐波不稳定时，谐波电流增大几倍甚至几十倍，对电力系统的危害是非常严重的，特别对换流电压、电容和与其串联的电抗等元件将形成很大的威胁，常常使其损坏；而电压的畸变则会导致直流输电系统的运行困难甚至系统闭锁。引起谐波不稳定现象的因素有很多。在等间隔脉冲触发方式、交流母线电压三相对称、换流变压器三相参数对称条件下,引起谐波不稳定的因素主要为:①交/直流侧谐振频率互补;②换流变压器铁芯饱和。谐波互补谐振是指:当交流侧的并联谐振频率与直流侧的串联谐振频率之间满足下式时,谐波不稳定就可能发生。11fkffpdac式中:k为自然数;p为换流器的脉动数;f1为交流系统基波频率。3.谐波的不稳定性HVDC输电系统的换流器可理解为具有电压、电流转换功能的放大调制器,直流网络与交流网络通过换流器互相耦合。因此,交、直流网络之间存在着动态的谐波相互作用,这取决于换流器侧交流网络的结构、运行条件、负荷水平等,可能产生极为不利的谐波交叉调制、谐波放大、谐波谐振或谐波不稳定。简言之,谐波不稳定的发生过程是交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节的互相调制,构成了一个AC/DC之间的正反馈闭环,造成谐波振荡放大,最终导致换流站交流母线电压严重畸变。发生谐波不稳定时,谐波电流放大几倍甚至几十倍,对电力系统的危害是非常严重的,而电压的畸变则会导致HVDC输电系统运行困难甚至系统闭锁。引起谐波不稳定现象的因素有很多。在等间隔脉冲触发方式、交流母线电压三相对称、换流变压器三相参数对称条件下,引起谐波不稳定的因素主要为:①交/直流侧谐振频率互补;②换流变压器铁芯饱和。4.谐波的危害与治理4.1谐波的危害谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在:（1）污染公用电网对供电线路来说,由于集肤效应和邻近效应,线路电阻随着频率的增加会很快增加,在线路中会有很大的电能浪费。另外,在电力系统中,由于中性线电流都很小,所以其线径一般都很细,当大量的谐波电流流过中性线时,会在其上产生大量的热量,不仅会破坏绝缘,严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时,会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿,造成恶性事故。如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送（2）对电力变压器的影响谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负荷的变压器来说,会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热。（3）对电力电容器的影响由于电容器对谐波的阻抗很小,谐波电流叠加到基波电流上,会使电力电容器中流过的电流有很大的增加,使电力电容器的温升增高,引起电容器过负荷甚至爆炸。同时,谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振,并又施加到电网中。（4）对电机的影响谐波会使电机的附加损耗增加,也会产生机械震动,产生甚至引起谐波过电压,使得电机绝缘损坏。（5）对继电保护和自动装置的影响对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动,造成整个保护系统的可靠性降低,容易引起系统故障或使系统故障扩大。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。（6）对通信线路产生干扰。在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时,通过电磁耦合,会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作,使通话清晰度降低,甚至会引起通信线路的破坏。（7）对用电设备的影响电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动,图像或图形发生畸变,甚至会使机器内部元件损坏,导致机器无法使用或系统无法运行。（8）加速金属化膜电容器老化在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。（9）增加输电线路功耗如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10—20倍，而感抗仅为其1/3—1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。（11）增加旋转电机的损耗国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2%，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。（12）影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生3—10KHz高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。4.2谐波危害的治理谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器。（1）无源滤波装置主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低。但不能滤出干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。（2）有源电力滤波器。这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵消网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。5.结束语本文从谐波产生的原因以及谐波的交互作用等方面让我们对谐波有了一个全面的认识。随着科技的发展，非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。参考文献：[1]夏道止.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M].1994.[2]郝巍，李兴源，李峰.直流书店引起的谐波不稳定性及其相关问题[J].水力发电.2004(03).[3]穆子龙，李兴源.交、直流输电系统相互影响引起的谐波不稳定问题[J].电力系统自动化.2009(02).[4]胡雪梅