1. 何為諧波?
“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó),由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。
到了50年代和60年代,由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展,發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的大量論文。70年代以來(lái),由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛,諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分和關(guān)注。國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議,不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
諧波研究的意義,道德是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低,使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部,諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
2. 諧波抑制
為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問(wèn)題,基本思路有兩條:一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波,這對(duì)各種諧波源都是適用的;另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造,使期不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控制為1,這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波,又可補(bǔ)償無(wú)功功率,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外,它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,補(bǔ)償效果也不甚理想。
3. 無(wú)功補(bǔ)償還
人們對(duì)有功功率的理解非常容易,而要深刻認(rèn)識(shí)無(wú)功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中,無(wú)功功率的概念是清楚的,而在含有諧波時(shí),至今尚無(wú)獲得公認(rèn)的無(wú)功功率定義。但是,對(duì)無(wú)功功率這一概念的重要性,對(duì)無(wú)功補(bǔ)償重要性的認(rèn)識(shí),卻是一致的。無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)包含對(duì)基波無(wú)功功補(bǔ)償和對(duì)諧波無(wú)功功率的補(bǔ)償。
無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此,粗略地說(shuō),為了輸送有功功率,就要求送電端和受電端的電壓有一相位差,這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn);而為了輸送無(wú)功功率,則要求兩端電壓有一幅值差,這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無(wú)功功率,大多數(shù)負(fù)載也需要消耗無(wú)功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方獲得。顯然,這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不合理的,通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率,這就是無(wú)功補(bǔ)償。
無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c(diǎn):
(1) 提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù),降低設(shè)備容量,減少功率損耗。
(2) 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓,提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電線中合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高輸電能力。
(3) 在電氣化鐵道等三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合,通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功襝可以平衡三相的有功及無(wú)功負(fù)載。
在工業(yè)和生活用電負(fù)載中,阻感負(fù)載占有很大的比例。異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無(wú)功功率在電力系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無(wú)功功率。阻感負(fù)載必須吸收無(wú)功功率才能正常工作,這是由其本身的性質(zhì)所決定的。
電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無(wú)功功率,特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器,在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓,要消耗大量的無(wú)功功率。另外,這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流,諧波源都是要消耗無(wú)功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同,所以基本不消耗基波無(wú)功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流,因此也消耗一定的無(wú)功功率。
近30年來(lái),電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛,也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中,整流裝置所占的比例最大。目前,常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路,其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同,因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大,給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染,也使得總的功率因數(shù)很低。另外,采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會(huì)在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。
1.無(wú)功功率的影響
(1)無(wú)功功率的增加,會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加,從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。
。同時(shí),電力用戶的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大。
(2)無(wú)功功率的增加,使總電流增大,因而使設(shè)備及線路的損耗增加,這是顯而易見(jiàn)的。
(3)使線路及變壓器的電壓降增大,如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載,還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng),使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。
2.諧波的危害
理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染,它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,也對(duì)周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前,人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究,并有一定認(rèn)識(shí),但那時(shí)諧波污染還需要嚴(yán)懲沒(méi)有引起足夠的重視。近三四十年來(lái),各種電力電子裝置的迅速使得公。用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生,諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面。
(1)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率,大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。 諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外,還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓,使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短,以至損壞。
(3)諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,這就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起嚴(yán)重事故。
(4)諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作,并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。
(5)諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致住處丟失,使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
電能質(zhì)量的好壞,直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量,評(píng)價(jià)電能質(zhì)量有三方面標(biāo)準(zhǔn)。首先是電壓方面,它包含電壓的波動(dòng)、電壓的偏移、電壓的閃變等;其次是頻率波動(dòng);最后是電壓的波形質(zhì)量,即三相電壓波形的對(duì)稱性和正弦波的畸變率,也就是諧波所占的比重。我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的三方面都有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高,非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運(yùn),造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來(lái)越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗,而且干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行,造成了這些裝置的誤動(dòng)與拒動(dòng),直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。舉個(gè)常見(jiàn)的例子來(lái)說(shuō),電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運(yùn)行,的確比常用的白熾燈好,不僅亮度高又省電,而且使用壽命也長(zhǎng)。但是相反,在大量投運(yùn)節(jié)能燈后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負(fù)荷,它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng),造成三相負(fù)荷基本平衡情況下,中心線電流居高不下,線電壓與相電壓之比比1要小得多,造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,用電設(shè)備發(fā)熱增加,電網(wǎng)線損增加,使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴(yán)重,嚴(yán)重影響其使用壽命。因此我們對(duì)非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須進(jìn)行治理,使諧波分量不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。