长飞供电系统谐波治理方案的选择张世林

长飞供电系统谐波治理方案的选择张世林

张世林

(长飞光纤光缆股份有限公司湖北武汉430073)

摘要：本文介绍了谐波的基本定义及分类，谐波产生的原因及危害,谐波治理的常见的方案.结合长飞历史谐波治理的项目,分析不同谐波治理方案的优缺点.

关键词：谐波,功率因数

1.谐波的基本定义及分类

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变.现代的电学定义中，谐波是指电压电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电压电流产生的电量.谐波从阶次而言分为三类:整数谐波,非整数谐波,次级谐波.其中整数谐波又分为偶次谐波和奇次谐波,工厂供电中常见的谐波为3,5,7次谐波.非整数谐波和次级谐波(谐波基次小于1)在实际应用中比较少见.谐波从相序分类又可分为三类:正序谐波,负序谐波,零序谐波.

2.谐波的产生原因及危害

在工厂供电中,受电负载分为线性负载及非线性负载,线性负载的受电电压电流是正比关系,不会导致电压电流发生畸变,因此不会产生谐波.受电电压加载与非线性负载,会导致基波电流产生畸变,畸变的电流反作用于正弦电压,会导致谐波电压电流的产生.工厂中常见的非线性负载有风机,水泵,空压机,UPS,充电机等.

谐波的危害有如下方面:

(1)谐波因趋肤效应、电路中泄漏电容、某次谐波电流过大等原因，使公用电网中的组件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波过中线时，会使线路过热引起事故。

(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重发热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，增大危害。谐波会导致供电安全性严重下降、备用发电机组不能带载，导致UPS在柴油发电机发电时不能与频率同步而使电池放电并停机。

(4)谐波会导致继电保护和自动装置误动作，还会造成电气测量仪表计量不准确。

(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，降低通信质量，甚至造成信息丢失，使通信系统无法正常工作。

(6)由于谐波电流冲击，配电电路的功率因数补偿电容器经常损坏，保护用的熔断器无故熔断，保护用的热继电器和空气开关经常跳闸，严重影响供电的安全。

3.谐波治理的常见方案

治理谐波有很多方法，分别概述如下.

(1)无源滤波器(电感电容串联谐振补偿)

采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流,是抑制谐波污染的有效措施.通常采用由电力电容、电抗、电阻适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。其工作原理如图2所示。

无源滤波器对某一频率的谐波呈低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。无源滤波器投资少，效率高，结构简单，运行可靠，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：

a.滤波特性受系统参数的影响较大。

b.只能消除特定阶次谐波。

c.滤波要求和无功补偿、调压要求难以协调。

d.谐波量增大时，难以扩容。

(2)有源滤波器

由于无源滤波器具有上述局限性,随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波方案研究方向逐步转向有源滤波器.与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有高度的可控性和快速响应性,其特点如下:

a.滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的风险.

b.具有自适应的功能,可自动跟踪补偿变化的谐波.

c.能有效降低因高次谐波电流导致的设备和线路损耗.

有源滤波器的工作原理如图3所示.

通过检测被补偿对象的电流瞬时值,经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号,控制变流器产生所需要的补偿电流.补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成分及无功电流抵消,最终获得期望的电流电源.

以长飞T302改造使用的有源滤波方案为例,通过数据对比来观察滤波效果.

图4a-4c为用示波器读取的改造前的T302系统内的电压电流波形图和谐波阶次分布图,可以从图中看出,系统内的谐波电压畸变率达到了7.3%,谐波电流畸变率达到了15.1%,已经远远超过了国标.

图4c改造前谐波电压阶次分布图长飞在此变压器上使用的施耐德品牌的AccuSine系列的有源滤波器(300A容量),加上4组电容电抗用于改善功率因数.改造完毕后经过检测,有源滤波器未投用时,谐波电压畸变率和谐波电流畸变率几乎未发生改变,有源滤波器投用后,谐波电压畸变率降低到2.1%,谐波电流畸变率降低到2%,完全满足了国标的要求.

(3)混合型有源电力滤波器

为了达到有源电力滤波器的治理效果,并有效降低造价,可以采用混合型有源无源混合型电力滤波方案,该方案是利用无源滤波器降低3,5,7次大电流谐波,再利用有源电力滤波器将其它次谐波降低到完全符合电力要求的范围.

以长飞T211变压器改造使用的无源+有源滤波方案为例,通过数据对比来观察滤波效果.

图5a-5c为用示波器读取的改造前的T211系统内的电压电流波形图和谐波阶次分布图,可以从图中看出,系统内的谐波电压畸变率达到了9.2%,谐波电流畸变率达到了23.3%,已经远远超过了国标.

长飞在此变压器上使用的诺基亚品牌的电容电抗+静止调谐模块(50A的有源滤波单元),改造完毕后经过检测,静止调谐模块未投用时,谐波电压畸变率降低到3.4%,谐波电流畸变率降低到15.7%,静止调谐模块投用后,谐波电压畸变率降低到2.1%,谐波电流畸变率降低到12%,完全满足了国标的要求.

4.几种滤波方案的优缺点对比

诺基亚通常采用无源+有源滤波方案,其中无源占据主导,有源起辅助作用,此种方案配置会给系统很大余量,即有源模块出现了故障,无源系统仍然可以在电网中起到滤波作用,不会影响电网系统安全性(如上分析,无源系统无复杂的控制系统,故障概率极低).另外,无源的电容电抗本身又具备提高电力系统功率因数的作用,因此相比纯有源滤波方案省去了单独配置电容电抗的投资.

5.结论

从无源滤波和有源滤波特性，结合长飞生产设备的谐波特点以及投资性价比而言，可以得出以下结论：

(1)当系统长期存在的谐波分量大部分为某一固定阶次且保持不变时，采用无源方案为最优；

(2)当系统谐波主要由2~3个阶次的分量组成时，采用无源+有源方案最优；

(3)当系统谐波主要由3个阶次以上的分量组成或阶次不恒定时，采用有源方案最优；