供电网络的谐波污染与谐波抑制

供电网络的谐波污染与谐波抑制摘要：分析了供电系统中谐波污染的产生以及对供电系统的危害，介绍了各种解决谐波污染的手段及所使用的设备，以保证供电网络的品质。关键词：基波；谐波；谐波标准；无源滤波器；动能谐波器1谐波的产生在供配电系统中的高次谐波主要产生于非线性负荷用电设备，如变流装置及电弧炉等；在低压电网的谐波污染，主要来源是功率电子设备，如驱动器、UPS、焊接器、计算机、打印机等。通常设备里的半导体开关只会在基波周期的某段时间通电，这使设备具有剩电、动态特性和灵活控制等优点，从而产生较大畸变的不连续电流。以下列举一些典型负载引起的谐波畸变。配备平滑电容器的单相整流器电路布置如图1（a）所示，可在单相负载中应用。从电源取用的电流值会在一周期的某段时间突然上升或下降，电压与电流波形见图1（b）。这种电流波形包含了很多奇次谐波，奇次谐波的幅值可能会高于基波电流分量。该电路布局的广泛应用，将导致过多的谐波电流流入供电系统。六脉波桥以三相功率为主的设备通常采用六脉波桥，例如驱动装置和UPS，六脉波桥的直流侧，可连接平滑电抗器、平滑电容器或以上两者。所用的开关可以是可控的（可控硅等）或不可控的（二极管），视所用设备确定。连接平滑电抗器的二极管桥的电路布局如图2（a），电流波形如图2（b）。连接平滑电容器的二极管桥的电路布局如图3（a），电流波形如图3（b）。事实上，对于六脉波变流器而言，在理想条件下即：（a）电源为理想的正弦波、并三相对称；（b）直流侧电抗足够大，直流电流无纹波；（c）交流侧电抗为零。对于如图4（a）而言，交流电流波形可分解为一系列谐波电流分量对于如图4（b）而言，交流电流波形可分解为一系列谐波电流分量由上式可见，注入系统的谐波是kp±1次。通常，一个连接着很大的平滑电抗器的六脉波桥，所产生的谐波电流值大约为其中：In———n次谐波电流幅值；I1—基波电流幅值；N———谐波次数2谐波标准目前大多数现代电力设备是谐波电流的来源。这些电流进入供电系统后将造成电压谐波，这将影响到连接在同一母线的其他负荷或连接同一电源的临近装置。因此，国家规定谐波造成电网电压波形畸变率极限和用户注入电网的谐波电流允许值应满足国家标准。当电网公共点的最小短路容量异于表中基准短路容量时，按下式修正表2中的谐波电流允许值式中Sk1———公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2———基准短路容量，MVA；Inp———表2中第n次谐波电流允许值，A；In———短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值，A。3谐波的限制由于电网所带的很多种类的负载会把谐波电流带入电源，而这些电流会使供电电压畸变，同时增加了畸变波形的有效值和峰值。有效值的增加会使电力设备过热导致发、配电设备及用电设备效率降低，影响继电自动装置动作的准确性，电子通信设备亦将受到干扰。为抑制谐波的产生，可采用很多方法。对装置作出结构上的改造，例如采用12脉波变流器取代6脉波变流器，因为12脉波变流器产生的谐波电流次数是11、13、23、24…，而每一谐波分量的幅值是：可见这比6脉波变流器有很大改变。当谐波值较高时，可使用谐波滤波器。在中压以上供电系统中，目前常采用无源滤波器，无源滤波器大致分为以下六种，如图5所示。单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型；双调谐滤波器可代替两个单调谐滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用；二阶高通滤波器通频带很宽，滤波效果好，但损耗比单调谐大，通常用于较高次谐波；三阶高通滤波器电容器利用率较高，基波损耗小，但滤波效果不如二阶高通滤波器，一般用于电弧炉滤波；“C”式高通滤波器滤波性能处于二阶和三阶高通滤波器之间，R的基波损耗最小。用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。在600V以下的供电系统中，目前较多使用动能滤波器。动能滤波器的原理与无源滤波器是不同的，无源滤波器是不可控制的且滤波作用是基于阻抗的特性。在动能滤波器中，则测量谐波电流，然后制造一个与该谐波电流相反的谐波电流频谱与原谐波电流相抵消。笔者在进行一大型铜冶炼厂铜电解系统设计时，由于铜电解整流器采用了六脉波可控硅整流桥进行电流逆变，将交流电整流成直流电流对电解槽供电。在生产过程中将产生较高的5次、7次11次及13次等谐波，为消除谐波污染，设计中采用了一套5次谐波滤波器、一套7次谐波滤波器，一套11次谐波滤波器、一套13次谐波滤波器，有效地抑制了流向电网的谐波电流。同时，滤波器中的电容器组可兼作基波电容补偿，有效提高了系统的功率因数。