电力谐波抑制与无源电力滤波技术的应用

产生电力谐波的设备非常多,主要有变频调速器、直流调速系统、整流设备、中高频感应加热设备、晶闸管温控加热设备、焊接设备、电弧炉、电力机车、不间断电源、计算机、通讯设备、音像设备、充电器、变频空调、晶闸管调光设备、电子节能灯等。

谐波的危害主要包括以下几个方面:

(1)增加电力设施的负荷,降低系统功率因数,降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率;

(2)引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行;

(3)产生脉动转矩致使电动机振动,影响产品质量和电机寿命;

(4)由于涡流和集肤效应,使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热;

(5)增加绝缘介质的电场强度,降低设备使用寿命;

(6)零序谐波电流导致三相四线系统的中线过载,并在三角接法的变压器绕组内产生环流;

(7)引起继电保护设施的误动作,造成继电保护等自动装置工作紊乱;

(8)改变电压或电流的变化率和峰值,延缓电弧熄灭,影响断路器的分断容量;

(9)使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差;

(10)干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备,影响设备的正常运行。

2 电力谐波管制标准

为了保证电网安全和用电设备的安全、稳定、经济运行,目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准,如关于公用电网谐波限制的IEEE519-1992、GB/T14549-1993,关于用电设备谐波电流排放限制的IEC61000-3-2、IEC61000-3-4、GB/Z17625.1-2003、GB/Z17625.6-2003等。

虽然各谐波标准不尽相同,但都大同小异,且所有的标准都是基于以下三个目的:

(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平;

(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电;

(3)不干扰其它系统(如通信系统)的正常工作。

GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》是现行电力谐波监督管理的国家标准。除要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外,还要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国标允许值,否则应采取治理措施。

3 治理电力谐波的方法

谐波治理措施主要有三种:一是主动治理,即从谐波源本身出发,通过改进用电设备,使其不产生或少产生谐波;二是受端治理,即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们的抗谐波干扰能力;三是被动治理,即通过安装电力滤波器,阻止谐波源产生的谐波注入电网,或者阻止电力系统的谐波流入负载端。

由于谐波源的广泛性和复杂性,主动治理方法受到设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响,只能解决部分问题,受端治理方法和被动治理方法仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。例如通过串联失谐电抗器抑制无功补偿电容器导致的谐波共振放大,通过在系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器进行滤波等。

3.1 谐波共振抑制与串联电抗器的应用

(1)无功补偿电容器引起的谐波共振与放大

当系统中含有谐波时,无功补偿电容器会与系统阻抗发生并联谐振,导致谐波放大。图3为补偿电容器引起5次谐波共振的实例。

图4为补偿电容器与电网阻抗并联谐振的等效电路。其中C为补偿电容器容量，Ls和rs分别为电网等效电抗和等效电阻，Ilf和Ilh分别为负载的基波电流和谐波电流强度，Isf和Ish分别为网侧的基波电流和谐波电流强度，Us为电网谐波电压。

定义网侧谐波电流Ish与负载谐波电流Ilh之比Ish/Ilh为谐波放大因子,则Ish/Ilh与谐波频率的关系如图5所示,谐波共振频率f0由式(1)确定:

作为典型参考值,假定