論文諧波交互作用和諧波不穩(wěn)定性報(bào)告.doc

諧波交互作用和諧波不穩(wěn)定性摘要：在供電系統(tǒng)中諧波的出現(xiàn)已經(jīng)有許多年了。所謂諧波，是一個(gè)數(shù)學(xué)或物理學(xué)概念，指周期函數(shù)或周期性的波形中不能用常數(shù)、與原函數(shù)的最小正周期相同的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的線性組合表達(dá)的部分。本文分析了諧波產(chǎn)生的主要原因，以及其中交互作用，從諧波的不穩(wěn)定性分析到諧波產(chǎn)生的危害，進(jìn)而列舉出一些治理諧波危害的方法。關(guān)鍵字：諧波，交互作用，不穩(wěn)定性，諧波危害1.諧波的產(chǎn)生在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。但此種情況過于理想，一般情況下，我們所研究的電路基本上都有諧波產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。電網(wǎng)諧波來自于以下三個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。 二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。2.諧波的交互作用當(dāng)電力系統(tǒng)向非線性設(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。而隨著國家“西電東送,南北互供,全國聯(lián)網(wǎng)”能源發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實(shí)施,國內(nèi)各大區(qū)域電網(wǎng)間將出現(xiàn)前所未有的遠(yuǎn)距離大容量輸電格局，這也給我們電力系統(tǒng)帶來了壓力。隨著西電東送線路和容量的增加，交直流并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的相互影響也越來越大。在直流輸電系統(tǒng)中,諧波的交互作用不僅會(huì)通過換流器產(chǎn)生,也會(huì)通過整個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)形成。對于傳統(tǒng)的單饋入直流輸電系統(tǒng)來說，當(dāng)直流輸電容量相對于交流系統(tǒng)總?cè)萘慷圆惶髸r(shí)，直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)問的相互作用和相應(yīng)動(dòng)態(tài)特性一般可以用現(xiàn)有的各種手段來進(jìn)行控制。但對于大規(guī)模的多饋入直流輸電系統(tǒng)來說，多條直流若同時(shí)與交流系統(tǒng)相互作用，由于直流總?cè)萘康谋戎卮蟠蠹哟?，各條輸電線路電壓等級較高、輸送功率較大且電氣距離又比較近,可能造成巨大的沖擊，以致于常規(guī)控制手段可能根本無法緩和這沖擊。此時(shí)當(dāng)交流系統(tǒng)或任一直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),交、直流系統(tǒng)之間就會(huì)相互影響，從而對整個(gè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性也產(chǎn)生影響。在單饋入直流輸電系統(tǒng)研究中，常用短路比SCR表示交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱，該值即為圖l(a)中的交流系統(tǒng)等值導(dǎo)納的標(biāo)幺值。若考慮直流換流站交流側(cè)母線的并聯(lián)電容器的影響，通常采用有效短路比ESCR，其中 ，EscR的典型值范圍為2(受端弱系統(tǒng))到4(受端強(qiáng)系統(tǒng))。對于多饋入直流輸電系統(tǒng)來說，則可使用折算到各個(gè)直流子系統(tǒng)自身容量的ESCR來分析某一回直流線路和交流系統(tǒng)的相互作用，或采用公共的HVDC等值容量計(jì)算ESCR，以便進(jìn)行相互比較。如圖l(b)中的系統(tǒng)，可設(shè)容量比 ，則以HVDc-1的直流容量為基值時(shí)，。由上述分析可以看出，單饋入系統(tǒng)和多饋入系統(tǒng)一樣，交流系統(tǒng)的強(qiáng)度差不多都主要表現(xiàn)為換流器接入點(diǎn)處交流系統(tǒng)的等效阻抗和交流系統(tǒng)自身的機(jī)械慣性，這在很大程度上會(huì)影響高壓系統(tǒng)的交互作用。當(dāng)多饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換流器換相失敗后，將導(dǎo)致直流電壓下降、電流增大，若采取的協(xié)調(diào)控制措施不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)后繼的換相失敗，最終導(dǎo)致直流傳輸功率的中斷。當(dāng)這種故障發(fā)生在送端交流電網(wǎng)時(shí),整流側(cè)諧波可能振蕩放大,發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象,甚至引起直流輸電系統(tǒng)單極或雙極閉鎖,這時(shí)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)將承受電網(wǎng)本身故障和直流閉鎖的雙重沖擊;而任一直流線路本身故障必將導(dǎo)致該直流單極或雙極閉鎖,對送端電網(wǎng)以及其他幾條直流線路的沖擊也十分巨大,此后雖然直流系統(tǒng)還有一個(gè)恢復(fù)過程,但這與交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也密切相關(guān)。交、直流網(wǎng)絡(luò)之間存在著動(dòng)態(tài)的諧波相互作用,這取決于換流器側(cè)交流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件、負(fù)荷水平等,可能產(chǎn)生極為不利的諧波交叉調(diào)制、諧波放大、諧波諧振或諧波不穩(wěn)定。直流輸電引起的諧波不穩(wěn)定性是指在換流站附近有擾動(dòng)時(shí)，諧波振蕩不易衰減甚至放大的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為換流站母線電壓嚴(yán)重畸變?？偠灾?、直流側(cè)電壓、電流通過換流站構(gòu)成一個(gè)AC/DC間的非線性正反饋閉環(huán)并互相調(diào)制是諧波不穩(wěn)定的本質(zhì)機(jī)理。發(fā)生寫諧波不穩(wěn)定時(shí)，諧波電流增大幾倍甚至幾十倍，對電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的，特別對換流電壓、電容和與其串聯(lián)的電抗等元件將形成很大的威脅，常常使其損壞；而電壓的畸變則會(huì)導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行困難甚至系統(tǒng)閉鎖。引起諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的因素有很多。在等間隔脈沖觸發(fā)方式、交流母線電壓三相對稱、換流變壓器三相參數(shù)對稱條件下,引起諧波不穩(wěn)定的因素主要為: 交/ 直流側(cè)諧振頻率互補(bǔ); 換流變壓器鐵芯飽和。諧波互補(bǔ)諧振是指:當(dāng)交流側(cè)的并聯(lián)諧振頻率與直流側(cè)的串聯(lián)諧振頻率之間滿足下式時(shí),諧波不穩(wěn)定就可能發(fā)生。 式中: k 為自然數(shù); p 為換流器的脈動(dòng)數(shù); f1 為交流系統(tǒng)基波頻率。3.諧波的不穩(wěn)定性 HVDC輸電系統(tǒng)的換流器可理解為具有電壓、電流轉(zhuǎn)換功能的放大調(diào)制器 ,直流網(wǎng)絡(luò)與交流網(wǎng)絡(luò)通過換流器互相耦合。因此 ,交、 直流網(wǎng)絡(luò)之間存在著動(dòng)態(tài)的諧波相互作用 ,這取決于換流器側(cè)交流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、 運(yùn)行條件、 負(fù)荷水平等 ,可能產(chǎn)生極為不利的諧波交叉調(diào)制、 諧波放大、諧波諧振或諧波不穩(wěn)定。簡言之 ,諧波不穩(wěn)定的發(fā)生過程是交直流側(cè)電壓、 電流通過換流站非線性環(huán)節(jié)的互相調(diào)制 ,構(gòu)成了一個(gè) AC/ DC之間的正反饋閉環(huán) ,造成諧波振蕩放大 ,最終導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓嚴(yán)重畸變。發(fā)生諧波不穩(wěn)定時(shí) ,諧波電流放大幾倍甚至幾十倍 ,對電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的 ,而電壓的畸變則會(huì)導(dǎo)致 HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行困難甚至系統(tǒng)閉鎖。引起諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的因素有很多。在等間隔脈沖觸發(fā)方式、 交流母線電壓三相對稱、 換流變壓器三相參數(shù)對稱條件下 ,引起諧波不穩(wěn)定的因素主要為: 交/直流側(cè)諧振頻率互補(bǔ); 換流變壓器鐵芯飽和。4.諧波的危害與治理4.1諧波的危害諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的,主要表現(xiàn)在: （1）污染公用電網(wǎng)對供電線路來說,由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),線路電阻隨著頻率的增加會(huì)很快增加,在線路中會(huì)有很大的電能浪費(fèi)。另外,在電力系統(tǒng)中,由于中性線電流都很小,所以其線徑一般都很細(xì),當(dāng)大量的諧波電流流過中性線時(shí),會(huì)在其上產(chǎn)生大量的熱量,不僅會(huì)破壞絕緣,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成短路。甚至引起火災(zāi)。而當(dāng)諧波頻率與網(wǎng)絡(luò)諧振頻率相近或相同時(shí),會(huì)在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電力系統(tǒng)或用電設(shè)備的絕緣擊穿,造成惡性事故。如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴(yán)重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等）無法正常工作，甚至?xí)斐晒收?，而且還會(huì)造成向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送（2）對電力變壓器的影響 諧波電流的存在增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及銅損,對帶有不對稱負(fù)荷的變壓器來說,會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。諧波電流，特別是次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱。（3）對電力電容器的影響 由于電容器對諧波的阻抗很小,諧波電流疊加到基波電流上,會(huì)使電力電容器中流過的電流有很大的增加,使電力電容器的溫升增高,引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸。同時(shí),諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中形成諧振,并又施加到電網(wǎng)中。 （4）對電機(jī)的影響 諧波會(huì)使電機(jī)的附加損耗增加,也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng),產(chǎn)生甚至引起諧波過電壓,使得電機(jī)絕緣損壞。 （5）對繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響 對于電磁式繼電器來說,電力諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作或拒動(dòng),造成整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性降低,容易引起系統(tǒng)故障或使系統(tǒng)故障擴(kuò)大。如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時(shí)，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全。 （6）對通信線路產(chǎn)生干擾。 在電力線路上流過幅度較大的奇次低頻諧波電流時(shí),通過電磁耦合,會(huì)在鄰近電力線路的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓。干擾通信線路的正常工作,使通話清晰度降低,甚至?xí)鹜ㄐ啪€路的破壞。 （7）對用電設(shè)備的影響 電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的顯示亮度發(fā)生波動(dòng),圖像或圖形發(fā)生畸變,甚至?xí)箼C(jī)器內(nèi)部元件損壞,導(dǎo)致機(jī)器無法使用或系統(tǒng)無法運(yùn)行。 （8）加速金屬化膜電容器老化 在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補(bǔ)償或?yàn)V波器，而在諧波的長期作用下，金屬化膜電容器會(huì)加速老化。 （9）增加輸電線路功耗 如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。 如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大1020倍，而感抗僅為其1/31/2，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。 （11）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗 國際上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額定電壓的2%，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。 （12）影響或干擾測量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作 例如，直流輸電中，直流換流站換相時(shí)會(huì)產(chǎn)生310KHz高頻噪聲，會(huì)干擾電力載波通信的正常工作。4.2諧波危害的治理諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。（1）無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設(shè)定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個(gè)頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的LC回路，達(dá)到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時(shí)，在基波對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。這種濾波裝置簡單，成本低。但不能濾出干凈。其主要元件為投切開關(guān)、電容器、電抗器以及保護(hù)和控制回路。（2）有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個(gè)大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵消網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。5.結(jié)束語本文從諧波產(chǎn)生的原因以及諧波的交互作用等方面讓我們對諧波有了一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。隨著科技的發(fā)展，非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。 諧波問題涉及供