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[導(dǎo)讀]0 引 言隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通等各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但由于電力電子裝置是一種非線性時(shí)變拓?fù)湄?fù)荷,其產(chǎn)生的諧波和無(wú)功注入電網(wǎng),會(huì)使設(shè)備容量和線路損耗增加,

0 引 言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通等各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但由于電力電子裝置是一種非線性時(shí)變拓?fù)湄?fù)荷,其產(chǎn)生的諧波和無(wú)功注入電網(wǎng),會(huì)使設(shè)備容量和線路損耗增加,造成發(fā)配電設(shè)備利用率的下降,影響供電質(zhì)量,對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。目前,諧波污染、電磁干擾和功率因子降低已成為電力系統(tǒng)的三大公害,因此,研究和分析諧波產(chǎn)生的原因,為抑制電力系統(tǒng)的諧波干擾提供好的檢測(cè)方法,對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量滿足用戶需求具有重要的實(shí)際意義。

1 諧波產(chǎn)生的原因

在電力系統(tǒng)中,電壓和電流波形理論上應(yīng)是工頻下的正弦波,但實(shí)際的波形總有不同的非正弦畸變。從數(shù)學(xué)的角度分析,任何周期波形都可以被展開為傅里葉級(jí)數(shù),因此,對(duì)于周期T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)或電流i(t),在滿足狄里赫利條件下可以展開成如下形式的傅里葉級(jí)數(shù),即:

式中:c1sin(ωt+θ1)為基波分量;cnsin(nωt+θn)為第n次諧波分量??梢钥闯?,所謂諧波就是一個(gè)周期電氣量的正弦分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍,這也是國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍,因此通常又被稱為高次諧波。雖然在實(shí)際的電網(wǎng)中還存在一些頻率小于基波頻率整數(shù)倍的正弦分量,但主要研究的還是電網(wǎng)中存在的整數(shù)次諧波。

公用電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生原因主要和以下兩方面有關(guān):

(1)電源本身以及輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。由于發(fā)電機(jī)三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱,鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致等制造和結(jié)構(gòu)上的原因,使得電源在發(fā)出基波電勢(shì)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諧波電勢(shì),但由于其值很小,一般在分析電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題時(shí)可以忽略。在輸配電系統(tǒng)中則主要是變壓器產(chǎn)生諧波,由于其鐵芯飽和時(shí),磁化曲線呈非線性,相當(dāng)于非線性器件,飽和程度越深波形畸變也就越嚴(yán)重,再加上設(shè)計(jì)時(shí)出于經(jīng)濟(jì)性考慮,使磁性材料工作在磁化曲線的近飽和區(qū)段,從而產(chǎn)生諧波電流。電源和輸配電系統(tǒng)雖然產(chǎn)生諧波,但這兩方面產(chǎn)生的諧波所占的比例一般都很小。

(2)電力系統(tǒng)負(fù)荷端大量的大功率換流設(shè)備和調(diào)壓裝置的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生的諧波,如熒光燈、電弧爐、變頻設(shè)備、家用電器等。這些用電設(shè)備具有非線性特征,即使供給的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓,也會(huì)產(chǎn)生諧波電流注入系統(tǒng),給電網(wǎng)造成大量的諧波,甚至?xí)驗(yàn)閰?shù)配置問(wèn)題使得局部區(qū)域產(chǎn)生放大,由用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波所占比例很大,是電網(wǎng)主要的諧波源。

2 諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害

諧波電流和諧波電壓的存在,對(duì)公用電網(wǎng)造成了很大的污染,破壞了用電設(shè)備所處的環(huán)境,容易導(dǎo)致一系列的故障和事故,嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波的危害是多方面的,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)諧波會(huì)引起諧振和諧波電流的放大為了補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率,提高功率因數(shù)等,常會(huì)在系統(tǒng)中裝設(shè)各種用途的電容器,工頻下,電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多,不會(huì)發(fā)生諧振。但當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí),對(duì)諧振頻率來(lái)說(shuō),系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小,就有可能產(chǎn)生諧振,諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍,使電容器出現(xiàn)過(guò)電流與過(guò)負(fù)荷,溫度增高,易導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在諧波引起的事故中有約75%是電容器和與之串聯(lián)的電抗器被燒毀。

(2)諧波影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的供電質(zhì)量在電力系統(tǒng)中,一般都使用各種繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)控制裝置來(lái)保證在故障情況下線路與設(shè)備的安全,而諧波會(huì)對(duì)這些裝置產(chǎn)生干擾,造成誤動(dòng)或拒動(dòng),嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。另外,在三相四線制配電網(wǎng)供電時(shí),由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波,尤以3次諧波含量較多,使相線上3的整數(shù)倍諧波在中性線上疊加,導(dǎo)致中性線上電流超過(guò)相電流造成過(guò)負(fù)荷。而且,諧波電流的存在,增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能性,極易產(chǎn)生很大的過(guò)電壓和過(guò)電流,不僅引發(fā)事故,還增加附加損耗,降低供電效率和設(shè)備利用率等。

(3)諧波影響各種電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常工作如對(duì)于電動(dòng)機(jī)會(huì)引起附加損耗,降低效率,引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱,并且當(dāng)諧波電流頻率接近定子等零部件的固有振動(dòng)頻率時(shí),還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng),發(fā)出很大的噪聲。對(duì)于電力變壓器,諧波會(huì)使銅耗、鐵耗增大,引起局部過(guò)熱,使變壓器噪聲增大。而且,諧波干擾會(huì)產(chǎn)生多個(gè)過(guò)零問(wèn)題,影響電子裝置和控制電路的正常運(yùn)行,計(jì)算機(jī)等工業(yè)電子設(shè)備的功能也會(huì)因?yàn)橹C波干擾產(chǎn)生失真而遭到破壞。

另外,諧波還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾,產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量,影響儀表等設(shè)備的精度,導(dǎo)致計(jì)量混亂,減少設(shè)備使用壽命等各種嚴(yán)重危害。



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