諧波生成原理

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種非線性元件大量采用，造成電力電網(wǎng)中諧波含量的大幅增加，電力電網(wǎng)遭到嚴(yán)重污染；電網(wǎng)中諧波含量的增加不僅危及電網(wǎng)的安全運行，而且增加電力系統(tǒng)損耗，直接造成用戶電氣設(shè)備的突發(fā)性故障，給用戶造成難以估量的損失。很多企業(yè)面臨電網(wǎng)無功無法治理、大量電力被浪費或者價格昂貴的電力設(shè)備莫名其妙的燒毀等電力質(zhì)量問題。為限制電力電網(wǎng)的污染，國家對電力電網(wǎng)的工作環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的管理和綜合治理，特別頒布了〈電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波＞GB/T14549—93對電力電網(wǎng)的諧波含量作出了統(tǒng)一規(guī)定。1.諧波的產(chǎn)生有關(guān)定義：基波（分量）：對周期性交流分量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到的與工頻相同的分量稱為基波。諧波（分量）：對周期性交流分量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到的為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量稱為高次諧波，簡稱諧波。諧波次數(shù)（h）：諧波頻率與基波頻率的整數(shù)比。如前所述，由于受到非線性設(shè)備的污染，現(xiàn)在的電力電網(wǎng)的電流、電壓波形并不是純粹的正弦波形，根據(jù)傅立葉級數(shù)分解的原理可以將非正弦周期波形分解為基波和多個諧波的合成。簡單的諧波分解原理見圖1。由此可見任何電網(wǎng)電壓畸變均會產(chǎn)生諧波。電網(wǎng)的諧波源可分為諧波電壓源和諧波電流源兩種，發(fā)、變電設(shè)備一般為諧波電壓源;而變流裝置、電弧爐和電抗器等為諧波電流源。用戶的電力電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生主要源于各種非線性用電負(fù)荷，這種類型的諧波源均屬于諧波電流源；這些諧波源均有自身的特點：電子開關(guān)型：如整流器、逆變器等各種電力電子設(shè)備，其交流側(cè)電流波形開關(guān)切合和換相特性，特征諧波與脈動數(shù)p有關(guān)，諧波次數(shù)h=K,±1,K=1,2,3...，波電流七/11V1/h。電弧型：如電弧爐，其諧波電流具有很大隨機(jī)性，主要諧波為2、3、4、5、7次。電磁飽和型：如變壓器、電抗器等有鐵芯設(shè)備的激磁電流波形以坐標(biāo)橫軸成鏡象對稱。主要諧波為3、5、7次。2諧波的危害電力電網(wǎng)中的諧波對電氣設(shè)備具有多種危害：*造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)鐵芯及定子繞組產(chǎn)生附加損耗，引起噪聲和振動；*使變壓器和線路產(chǎn)生附加損耗，增大電力傳輸?shù)木W(wǎng)損，增加變壓器振動和噪聲；*引起無功補(bǔ)償電容器諧振過載，導(dǎo)致補(bǔ)償設(shè)備燒壞或無法投入運行；*對繼電保護(hù)和自動裝置產(chǎn)生干擾，引起誤動作，引發(fā)大面積電力系統(tǒng)故障；*干擾鄰近的電力、電子設(shè)備和通訊系統(tǒng)。影響設(shè)備的正常運行;諧波對電力電網(wǎng)的主要危害集中表現(xiàn)在對電力電容器的諧波當(dāng)中。3電力電網(wǎng)中的諧振電力電網(wǎng)中存在諧波，電網(wǎng)處于諧振狀態(tài)或接近狀態(tài)時，諧波將被大幅度的放大。3.1并聯(lián)諧波

當(dāng)諧波源與補(bǔ)償電容處于同一電網(wǎng)等級時會產(chǎn)生并聯(lián)諧振（圖2）。并聯(lián)諧振的結(jié)果，將使諧波電流放大，注入供電變壓器和電力電容器，造成電容器過電流而故障及變壓器損耗增加。并聯(lián)諧振的諧振頻率可近似計算如下：（計算中假定，變壓器一次側(cè)電網(wǎng)短路容量為無窮大、變壓器線圈電阻及輸電線路電阻等與電抗相比很小可忽略不計。）'-Q~萬~/c k式中，f--電力電網(wǎng)諧振頻率；f一電網(wǎng)工頻頻率；eS一變壓器額定容量；STv一變壓器短路阻抗百分比；k從公式中可以看出，隨著投入的補(bǔ)償電容容器。的不同，電網(wǎng)C的諧振頻率也不同。這樣多個諧振頻率就容易與網(wǎng)絡(luò)的諧波頻率重合或接近，造成諧波放大。2串聯(lián)諧振當(dāng)諧波源與補(bǔ)償電容器處于不同電網(wǎng)等級時會產(chǎn)生串聯(lián)諧振（圖3）。由圖中所示可以看出當(dāng)諧波源和補(bǔ)償電容器不在同一電網(wǎng)等級下時，其諧波電流會注入由供電變壓器電感、負(fù)載電感和電力電容器構(gòu)成的串聯(lián)回路中。發(fā)生串聯(lián)諧振時，一較小的諧波電壓就可形成較大的諧波電流流過電容器，使電容器因過電壓而發(fā)生故障。在電容器等參數(shù)的選擇上應(yīng)避開諧振條件。發(fā)生串聯(lián)諧振的頻率為：If=fX弋(S/QZ-S2/Q2)e tctLcf一電網(wǎng)工頻頻率；式中，—電力電網(wǎng)諧振頻率;式中，—電力電網(wǎng)諧振頻率;eS—變壓器額定容量；tZ一變壓器阻抗的標(biāo)幺值;tZ--負(fù)荷容量；LQ一電容器的額定容量。c4諧波的治理技術(shù)在電力系統(tǒng)中對諧波的治理就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流的工業(yè)措施主要是：1抑制諧波電流的放大（1） 濾波器由一個電抗器和一個電容器組成的諧振電路并調(diào)諧為對某一諧波電壓具有極小的阻抗，該調(diào)諧的諧振電路用于精確的清除配電網(wǎng)絡(luò)中的主要諧波成分。單調(diào)諧濾波器的特性如下：電抗器的感抗：Z一沖;電容器的容抗：Z-1/（2^fC）；隨著頻LJ c' "'率的增加電感感抗增加，同時電容容抗減少，系統(tǒng)阻抗也從容性阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)楦行宰杩?，在f，點系統(tǒng)阻抗最?。▋H為線路電阻），而在f，的左側(cè)（f<廣）其系統(tǒng)阻抗呈現(xiàn)容性，f，的右側(cè)（f>f,）系統(tǒng)阻抗呈現(xiàn)感性，f,是濾波器的諧振頻率。（2） 抗諧波無功補(bǔ)償（帶調(diào)諧電抗器的電容器組補(bǔ)償系統(tǒng)）在電網(wǎng)中并人的補(bǔ)償電容，由于其電容特性和電感的配合會形成固定的諧振頻率（式1），系統(tǒng)諧波源發(fā)出的諧波如果處于此范圍內(nèi)會引起系統(tǒng)諧振；為了消除系統(tǒng)諧振的可能性，在補(bǔ)償電容電路中串入電抗器，形成電感一電容回路，使其諧振頻率低于系統(tǒng)最低次諧波（通常為第五次諧波）頻率，使其在工頻時（50位）呈電容性，以提供無功功率來改善功率因數(shù)，而在諧波頻率時呈電感性，防止并聯(lián)諧振的發(fā)生，而無諧波放大之慮。又因阻抗匹配的結(jié)果，此電容器組也能吸收較低次的諧波電流（如第五次諧波）10~40%（圖5）。4.2在諧波源處吸收諧波電流有源濾波器。借助于兩個電流/電壓互感器，有源濾波器的電子設(shè)備記錄了實際的電流曲線，電流曲線被以10kHz的頻率來采樣，依據(jù)采樣值的大小，通過IGBT橋式電路和注入線圈將一移相180的電流注入電網(wǎng)，即一個正值被一個負(fù)值抵消掉了。5結(jié)論由于社會的發(fā)展、電力需求的增大，人類對電能的依賴越來越大，因此保證供電電網(wǎng)