高压直流输电技术论文谐波及其抑制

谐波的抑制

班级:S电本1015

姓名：温世斌

学号：1031011531

        专业：电气工程及其自动化

谐波及其抑制

谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一，由于换流器和非线性特性，在交流系统和直流系统汇中将出现谐波电压和电流，它们对系统本身和用户都会造成影响和危害。

一、　谐波的产生及其影响

所谓谐波就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。根据法国数学家傅立叶(M. Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量,周期为T = 2π/ω的非正弦电压uωt 可分解为: 

 式中频率为nω( n = 2, 3⋯) 的项即为谐波项,通常也称之为高次谐波。

谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率、幅值与相角。谐波分为偶次与奇次,第3、5、7、9等次的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时, 2次谐波为100Hz, 3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n ±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。应该注意,我们所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形,电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴;谐波与频率低于工频基波频率的分量和频率非基波频率整倍数的分量有定义上的区别。

谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变,产生谐波电流,并注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源。当前,电力系统的谐波源主要有三大类。 

(1)铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器、日光灯(单个功率小,但数量巨大,且分布广)等,其铁磁饱和特性呈现非线性。

(2)电子开关型:含半导体的非线性元件,如各种整流设备、变流器、交直流换流设备中的整流阀和逆变阀、PWM变频器等换流、节能和控制用的电力电子设备,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用,并正在蓬勃发展。

(3)电弧型:各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性,使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。

电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热,使电力电容器组工作不正常,对电机、变压器、电容器、电缆等设备造成振动、过热、绝缘老化,严重影响设备的使用寿命甚至直接造成设备损坏;对电力系统中的发电机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大危害,严重时会引发保护误动作,造成重大事故;谐波污染对通信、计算机系统、高精度加工机械,检测仪表等用电设备也有严重的干扰。

在低压配电网中这些谐波污染问题显得尤为突出,严重影响到各种大型厂矿的正常生产,如钢铁、煤矿、化工、纺织等企业,以及IT和大规模微电子集成电路企业,造成产品报废、生产线停产、生产设备的寿命骤减甚至损坏。谐波使电网中串、并联设备产生谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率,大量的三次谐波电流流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。谐波对计算机和数控设备具有很大危害,可以影响程序运行,破坏数据,使信息丢失,导致控制系统误动作。谐波能够影响各种电气设备的正常运行。

二、　谐波的抑制

为保证供电质量、净化电网,防止谐波对电网及各种电力设备的危害,除要对发、供、用电系统加强管理外,还必须采取必要的措施来抑制谐波。抑制谐波应从以下两个方面来考虑:一是产生谐波的非线性负荷;二是受危害的电力设备和装置。实际中应以系统的方法对这两个方面综合加以研究和考虑,采用技术经济最合理的方案来抑制和消除电网谐波。减少谐波源的谐波含量,由于存在的谐波源各式各样,采取的抑制措施也各式各样。

⑴对整流、换流设备靠增加可控硅变换装置的脉冲数来降低谐波含量,换流装置产生的谐波电流的次数为: n = m p ±1

式中:m ———从1开始的任意正整数; p———换流装置的脉冲数。

各次谐波电流的有效值为: 

式中I1 —基波电流有效值(A or kA) ;

Kn - 因重叠角影响的谐波系数,一般 

⑵适当地改变供电系统的运行方式可以达到遏制谐波影响的目的,如尽可能地保持三相负荷电流的平衡,就可以减少mp ±1次以外的非理论高次谐波电流。

改变供电系统的运行方式一般有如下几种方法:一是保持三相负荷电流的平衡;二是减少空载运行的变压器数量;三是改善电网电压的质量;四是坚决避免系统电压运行时超标;五是在系统参数可能造成谐振时,倒换系统参数或设备以错开共振点或调整无功补偿容量;六是在存在较大容量的谐波源负荷情况下,提高供电电压等级或采用专线供电。

⑶在电容器回路串接电抗器来抑制谐波,这种方法实际上是利用无功补偿用的电容器来抑制谐波。在电容器回路串接电抗器组成滤波器,是目前国内外抑制谐波所广泛采取的措施。即形成一个对n次谐波串联谐振的回路。在电容器组回路串接电抗器组成滤波器形式, 则

式中若: 则Un = 0,即母线n次谐波电压被彻底的抑制。由此就可以得出串接电抗器的电抗值。

已知串联谐振时:  ;即,则 , 即

串联电抗的基波值是基波容抗的

当n = 3时      

当

实际采用的是3次谐波滤波器串联13% 的电抗器, 5次谐波滤波器串联6% 的电抗器,并不是正好地采用11%和4%的值,稍大一点是为了使电容器回路阻抗呈感性和避免完全谐振时电容器的过电流。值得注意的是电容器回路串接电抗器后,电容器两端的电压相应升高:_

_

⑷在谐波源处就近安装滤波器, 是在谐波源设备已经确定的情况下, 防止谐波电流注入电网的有效措施。安装滤波器的基本原则是:靠近谐波源吸收谐波电流。因为待到谐波电流注入高压电网后再采取措施,无论在技术上还是经济上都是不合理的。

滤波器由R、L、C组成,除广泛使用的交流滤波器外,还有利用时域补偿原理的有源滤波器,能做到适时补偿,且不增加电网的容性元件,通过监测实时谐波状况,在线计算出所含谐波分量,产生相应的控制信号,去控制可关断功率器件一般是IGBT构成的逆变电路,产生所需补偿的电流谐波分量,并联接入产生谐波的主回路中,达到迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。

⑸提高供电系统容量是抑制谐波影响和危害的重要措施之一。加大供电系统容量,供电系统等值短路阻抗将减小,母线谐波电压水平就降低;选择合理的供电电压也可以降低谐波影响和危害,高压电网的短路容量大,有承担较大谐波的能力,所以大容量的谐波设备,可以由更高一级电网供电。随着电器产品制造技术的提高,已能制造出高电压大容量的滤波装置。所以应在详细的技术经济论证后,确定选用大容量滤波器或用更高一级的电压供电。选择系统与变压器的接线方式以便把三的倍数次谐波的产生减至最小。例如采用星形三角形接线,三角形侧谐波无法流出。

⑹利用相数倍增法也可以消除某些次谐波,电力系统中接入的非线性器件,往往正是利用这些器件的非线性来达到技术上的某种目的,所以不能用降低甚至消除非线性来达到技术上的某种目的。但高次谐波都是一些正弦交流量,它的大小和方向与相位有关,所以总可以设法让次数相等、相位相反的谐波相互抵消。例如对于两个三相系统,如果它们的相位相差30о时,它们的5, 7, 17, 19及29, 31次谐波可以消除。如果它们的相位相差15о的四组三相系统可消除11, 13及35, 37等次谐波。随着谐波的研究的深入,一定会有更加先进的理论、方法和谐波滤波产品为我们服务,将谐波控制在最小范围内,达到科学合理用电、抑制电网污染、提高电能质量的要求。

三、高压直流输电系统交流侧谐波分析

高压直流(HVDC)输电在远距离、大容量方面独具优势，而换流变压器是一大功率、非线性电子元器件，在系统中产生大量非特征和特征谐波，对供电质量是一种“污染”，严重干扰周围通信系统，而且使输电系统电气设备发热而损坏，严重时在输电系统产生并联和串联谐振。目前抑制谐波的方法有两种，一种是增加换流器的脉波数，另一种是装设交流滤波器和直流滤波器。直流工程中采用6脉波和12脉波换流器并配置滤波器比采用24脉波更经济。而滤波方法分为疏导法，如串联调谐滤波器与主电路并联，阻塞法如平波电抗器与主电路串联，考虑到经济和滤波效果，交流侧主要采用交流滤波器，直流侧采用平波电抗器和直流滤波器。

四、直流输电系统的谐波危害及抑制措施

随着能源开发、电能传输以及电力系统的规模不断扩大, 采用直流输电的必要性日益被人们认识。直流输电不仅是一种节省能源损耗的输电方式, 而且在开发利用边远地区的能源和开发新能源、新发电方式等方面, 直流输电技术更是一种有效的手段,必将越来越广泛地得到采。　　与交流输电系统相比, 直流输电系统有许多优点: 线路造价低、适合远距离输电、没有系统稳定问题、调节快速、运行可靠等; 同时它也存在一些缺点:换流器较昂贵、消耗一定的无功功率、产生谐波影响等。其中换流站对整个系统产生的谐波危害, 是直流输电系统运行必须解决的重要问题之一。为保证直流输电系统安全、可靠运行, 并对周围环境影响降低到允许的范围内, 应采用有效的措施减少谐波危害。

1）直流输电系统的谐波危害

换流变在交、直流两侧都会产生谐波电压和谐波电流, 如果进入交流电网和直流输电线路的谐波分量过大, 就会对换流器本身和交流系统的运行以及邻近通信系统产生不良影响。

a、在旋转电机和电容器中产生附加损耗而发热

b、对通信设备(特别是电话线路) 产生干扰

　 c、　造成换流器的控制不稳定

2) 抑制谐波的措施　　

抑制直流输电系统中谐波的措施可分为三类:

　　(1) 作用于谐波源的措施, 如增加换流器的脉动数;

　　(2) 装设滤波器;

　　(3) 改变直流输电线路的常数, 以达到加大直流线路中谐波电压、电流的衰减。

交流滤波器对谐波的抑制

　　交流滤波器的主要目的之一是为了滤除换流器产生的谐波电流, 从而使交流母线电压畸变和通信干扰满足要求。目前高压直流工程普通使用三种谐波畸变指标: 各次谐波电压畸变率D n、总谐波电压畸变率D和电话谐波波形系数TH F F 。在早期葛上直流工程中, 谐波标准采用了各次谐波电压畸变率算术和指标, 但因其没有物理意义, 无法实测, 故在本工程的谐波标准中采用D 值, 它与谐波功率对应, 因而与谐波畸变的严重程度紧密相关。

　　为了说明交流滤波器对谐波电流的抑制作用,必须对谐波电流进行分析。在谐波电流的分析中可以发现, 当换流站设备参数完全平衡的理想情况下,换流器仅产生特征谐波。因本工程采用每极一个12脉动阀组接线, 故在其交流侧主要产生的特征谐波为:

n= 12k±1　　k= 1, 2, 3, ⋯∞

一般只考虑50 次以下的特征谐波的情况, 因而有11、13、23、25、35、37、47、49 共8 种。特征谐波大小主要取决如下因素:

　　(1) 交流系统电压;(2) 直流电压;(3) 直流电流水平;(4) 换流变压器的短路阻抗;

(5) 换流器的触发角和熄弧角。

　　实际上, 设备参数的平衡不是绝对的, 不平衡因素与交流系统的运行情况和站内设备的制造水平有关。这些不平衡因素使换流器交流侧产生非特征谐波电流。影响非特征谐波电流不平衡因素主要有:

　　(1) 交流母线三相电压不平衡;(2) 换流变压器三相电抗不平衡;

　　(3) 换流变压器阀侧Y 绕组和$ 绕组的电抗不平衡;(4) 换流变压器变比不相等;

(5) 触发角不相等。

对谐波电流进行计算, 一般通过谐波波形的傅立叶分析进行, 并考虑特征谐波电流和非特征谐波电流的各个影响因素的条件下, 计算出特征谐波电流和非特征谐波电流, 并选择最大计算值。

直流滤波器对谐波的抑制

　换流阀在直流侧产生特征谐波(12 n 次) 和非特征谐波分量。特征谐波分量与换流器的工作条件有关, 包括阀侧电压、熄弧角、迭弧角及换流变抽头位置; 非特征谐波通常由系统和设备的非对称性引起, 主要与下列因素有关:

　　(1) 交流母线电压不平衡(主要影响低次谐波分量) ;(2) 换流变电抗不平衡;

　　(3) 触发角不平衡;(4) 直流纹波分量;(5) 交流系统背景谐波。

谐波电压的计算还应考虑换流设备的杂散电容。对于12 脉动换流桥直流系统, 换流器在直流侧主要产生12 倍次谐波分量。在实际系统

中, 电话线路受到谐波干扰的频率区域主要在1000 Hz 左右,即对50 Hz 的交流系统, 20 次左右的谐波分量危害最大; 另一方面, 根据3 脉动理论, 换流器在直流侧产生的3 倍次谐波(3, 6, 9⋯) 对通信线路的干扰严重。这些谐波次数低、幅值大, 其主要路径是通过换流变中性点——换流阀——大地, 进入直流线路的分量较小。根据上述分析, 为抑制直流对通信线路的干扰, 直流滤波器做如下安排:

 ①在12 脉动换流桥中性母线上对地串接一个15 的电容器, 在换流站内形成一个低次谐波通道, 以消除由于换流变杂散电容而产生的低次谐波。

②在中性母性上接有一完整的有源滤波器(也称混合型滤波器) , 即选择12/24 次滤波器并配置有源转换器。

有源滤波器有以下优点:

　　(1) 对目前不可预见的交流系统扰动所产生的直流侧谐波, 有源滤波器可以提供更好的滤波性能;

　　(2) 若一组直流滤波器故障停运, 投入备用有源滤波器分组, 对等值干扰电流无影响, 提高了运行的可靠性, 而无源滤波器则无法满足要求。

(3) 使用有源滤波器技术, 等值干扰电流保证值可期望达到250/500 mA。

目前, 世界上大容量直流输电采用有源滤波器的工程还不多, 天广直流工程使用有源滤波器在我国尚属首次, 但采用有源滤波并不是一项新开发的技术, 它已广泛应用于冶金、电力拖动等领域, 由于有源直流滤波器在性能指标、可靠性明显优于无源滤波器, 因而, 采用有源直流滤波器是现代直流输电工程的发展方向。

　  直流输电系统存在的谐波对系统本身及周边环境的影响不容忽视, 我们应该对其产生的原因、危害、计算分析以及抑制措施进行研究和探讨, 为今后抑制谐波的工作提供更有效、更合理的途径。