文档介绍：第1章绪论
20世纪70年代以来,随着电力电子技术的飞速发展,特别是功率半导体器件和变流技术的发展,各种电力电子装置在军事、工业、生活及高新技术领域获得了越来越广泛的应用,并带来了一系列的经济效益,如装置体积的减小,能量转换效率的提高,可靠性增加等等。但同时由于这些电力电子器件本身所具有的非线性特性也给电力系统带来了一系列的问题,其中之一就是电力系统中的谐波问题。电力谐波问题日益严重,对电能质量以及电力系统的安全、经济运行带来了很大的影响。治理电力系统谐波污染已经成为电力系统所面临的一个重大课题,受到了越来越多的关注。在此,我们先研究什么是谐波及其危害性,再寻求谐波抑制和无功补偿的方法。
谐波的概念及危害性
谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,也称为高次谐波。电网中的实际电流由于有各种谐波源的存在一般并不是标准的与电网同步的正弦电流,而是相位有改变且包含有多种谐波成分,其傅立叶级数展开式为:
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上式中,为直流分量,在交流电网中其值为零,为基波分量,其包含与电网电压同相位的有功分量和与电网电压同频率但不同相位的无功分量两部分,为谐波成分。以上各种电流分量流过电网回路的阻抗便产生了基波有功功率、无功功率和谐波功率。
谐波是由谐波源产生的。所谓谐波源,主要是指电力系统中的各种非线性用电设备。诸如半导体整流器、晶闸管调压变频等电力电子装置、电弧炉、电力机车和家用电器等等。
谐波对电力系统电磁环境的污染日趋严重并且会危及系统本身和广大电力用户,由谐波引起的各种故障和事故不断发生,对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失,因此近二十年来电力谐波的危害和影响己引起世界各国政府和科技界的广泛关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面[1]:
(1) 产生附加损耗,增加设备的温升。一般来说,谐波电流与基波电流相比较小,但谐波频率较高,导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻大的多,因此谐波引起的附加损耗也比较大。在带铁芯的电气设备中,铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系统的损耗外,还使设备温升增加,尤其是局部发热点的温升可能增加更多,使设备绝缘老化加速;
(2) 恶化绝缘条件,缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外,还因为在较高频率的电场作用下,绝缘的局部放电加剧,介质损耗显著增加,致使温升提高;
(3) 引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉动转矩使电机发生机械振动,当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而引起共振时,会损坏电机设备,甚至危及人身的安全;
(4) 无功补偿电容器组引起谐波电流的放大,甚至造成谐振。无功补偿电容器与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路,它们的一些组合有时会对某次的谐波电流起到放大的作用,加剧了谐波的危害。当它们构成的局部谐振回路的频率与系统中存在的某次谐波频率相同或相近时,就会造成危险的过电流和过电压;
(5) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设计的,谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰、工作特性受到改变,严重时会造成误动作或拒动作。对计算机的干扰严重时使其无法正常工作;
(6) 影响测量仪表的精度,造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频正弦波形而设计的,当有谐波时将产生误差;
(7) 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。谐波的干扰会引起通信系统的噪声,降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失,在谐波和基波共同作用下引起电话响铃,甚至发生危及设备和人身安全的事故。谐波对电网的危害除造成线路损耗外,更重要的是使电网波形受到污染,供电质量下降,危及各种用电设备的正常运行。谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗,它是电网线路损耗的一部分。另外,谐波源在一些频率上吸收有功功率,另一些频率上发出有功功率,而这些谐波有功功率通常都是从电网吸收的基波有功功率转化而来的,谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波装置本身是有害而无益的,谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其它用电设备带来危害并增加功率损耗。
当然,谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备的其它各种条件的不同而不同,但危害是客观存在的,应予于足够的重视和有效的管理,将危害限制在尽可能小的范围内。
谐波抑制和无功补偿
谐波抑制
装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC滤波器。这种方法既可滤除谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿