配电网络中谐波

配电网络中谐波（精选5篇）

配电网络中谐波 第1篇

油田配电网中大量使用变频、整流和开关电源技术制造的节能设备,特别是变频调速电机、永磁同步电机、变频器、高频开关电源等新型节能设备以及非线性电子设备如节能灯、计算机和家用电器等非线性负荷这些设备在节约能源和提高生产效率的同时,也产生了大量的电力谐波并注入到电网中,使供电质量变坏,对电气设备产生极大的危害[1]。

针对谐波的危害,可按照配电网的结构、参数和负荷情况,通过电能质量分析,检测系统的谐波参数和谐波幅值,并通过计算分析判断电力系统中的电压电流波形畸变是否控制在允许的范围内、并给出预警预报。对油田配电网来说,通过频率扫描,谐波计算可以选择合适的滤波器,使其对电网的谐波污染控制在标准范围之内,并预防谐振事故的发生。

随着我国工业化进程的不断加快,对电能质量的要求也越来越高,然而现实却是越来越严峻,日趋严重的“电力污染”问题不仅对油田配电网的安全稳定的运行造成危害,而且很容易出现某些问题,而造成无法挽回的巨大经济损失[2]。所以,谐波及其治理将是科研工作者和企业亟待解决的问题。

本文首先针对有天油田配电网的机构特性,建立模拟的谐波产生规律模型,采用神经网络进行预测预报并通过MATALB进行仿真研究。

2 油田配电网谐波系统模型分析

油田配电网结构复杂,网络系统结构中谐波成分很不相同,畸变波形也是千差万别,收集所有类型的畸变波形具有很大难度,况且并不是所有的畸变波形都可以用作训练样本的。因此很难从建立一个理论上的具有一定精度的数学模型。从对油田配电网中典型的非线性负载所产生的畸变波形的研究分析发现,偶次谐波成分占得比重不大,奇次谐波比重较高且危害很大,并且从分析中发现,任一奇次谐波的幅值一般情况下不会超过基波幅值的50%,谐波次数越高幅值越小。因而在实际测量的时候,我们可以只需要测量其中的奇次谐波。

电力系统中的一些非正弦周期电流可用傅立叶级数展开:

假设奇次谐波以一定的幅度逐渐由0开始递增,但上限为基波幅度的50%,为简化模型,油田配电网中5次和7次谐波危害严重,因此,本文假设测量谐波电流中的只存在5次谐波,则模型变为:

式(2)中,假设初相角一定的情况下,为实现5次谐波幅值的预测,首先确定(2)式中的三个电流变量,等式左边总的电流值变量和等式右边的基波电流值变量为输入,等式右边的五次谐波电流值变量为输出,且其幅值可以从基数值按比例增加到50%以上。

神经网络建模的模型如图1所示[3],输入为总的电流值和基波电流值,输入样本可以选择一个周期的随机值,输出为5次谐波的幅值。隐含层神经元数量为8个,隐含层个数要根据实际仿真时的训练样本数据分析情况进行适当调整,没有具体的确定方案,以模型输出误差和神经网络权值、阈值作为调整的依据。

3 基于神经网络的配电网谐波预测研究步骤

根据油田配电网谐波结构的特点,本文采用BP神经网络进行谐波预测,实现步骤如下[4,5]:

(1)数据采集与数据的归一化。

主要包括和油田配电网谐波预测相关的电压、电流、谐波波次幅值等参数。

(2)训练样本、测试样本和校验样本的建立。

(3)构建神经网络,以总电流和基波电流为输入,以5次谐波幅值为输出,隐含层选择8个进行构建神经网络。

(4)指定训练参数进行训练。

(5)完成训练后,就可以调用训练结果,输入测试数据,进行测试。

(6)数据进行反归一化。

(7)误差分析。

4 基于BP神经网络的谐波发生预测仿真研究

B P网络作为一种多层前向神经网络,具有相对比较成熟的理论和算法,是目前在该领域研究比较多的A N N,它可以实现从输入到输出的任意非线性映射。这种BP网络可以在油田配电网系统中用于对谐波进行实时测量。这是因为电网中的被测量是由各次谐波和基波所构成的非正弦周期波形。实现对谐波信息的实时测量,首先需要根据实际的情况选择相应的网络结构,然后将待测量的采样数据施加在经过合理样本充分训练后的网络中。因为相角、幅值变化范围大并且不具有规律,所以同时改变相角和幅值来对网络训练的话,将会增加网络的负担,因其同时负担两种变化的记忆,如此一来,对谐波测量的速度和精度都会造成很大的影响,因而本文是以假设初相角己经确定为前提的状态下。

传统BP网络收敛速度慢,很难实现大量样本数据的处理及应用与进行实时预报。因而,与以往常规的梯度下降法不同,本文修正BP网络的阈值和连接权值采用Levenberg-Marquardt算法(简称L-M算法)。L-M算法的基本原理如下:

L-M算法的选代公式:

式中:I为单位阵;η为一个非负值。依赖于η的幅值,该方法光滑地在两种极端情况之间变法:即GuassNewton法(当η0)和标准梯度法(当η∞)。该式即可作为BP神经网络的学习训练方法。

网络权值和偏差的变化量:

并以此不断来对网络进行调整训练,直至达到目标要求。由式(3)可知,L-M法实际上综合了Newton法和标准梯度下降法二者的优点,是Newton法和标准梯度下降法的结合。因而,以L-M算法设计的BP网络在精度及收敛速度方面都有很明显的优势。

根据公式(2)模型中的假设,训练过程中,输入为总的电流值和基波电流值,根据采样时间的不同每个周期选择8对样本,基波的幅值上限定位1.0,模型的输出为0.02、0.05和0.5幅值的5次谐波,这样输入共24对采样样本。

基于L-M算法的网络模型训练过程如图2所示,基于2 4对训练样本的的模型平均误差为0.0 08 5,达到了一定的精度。为验证网络的泛化能力,重新生成4 0对样本,输出谐波幅值分别是0.4和0.0 8,仿真结果如图3所示。文中仿真数据采用阶跃跟踪信号,神经网络模型的仿真结果验证了L-M算法具有梯度法的全局特性,提供了牛顿法的速度和保证收敛的梯度下降法之间的折衷,收敛的迭代次数少,能快速完成网络训练。

5 结束语

本文结合油田的实际需求,建立了油田配电网简化的数学模型,以五次谐波为研究对象,设为神经网络的输出进行仿真研究,采用改进的BP神经网络方法对油田配电网谐波进行预测预报,并进行了测试样本验证。仿真结果验证了L-M算法的优越性,本文提出的神经网络预测油田配电网谐波能减少谐波污染,非常具有实用价值。因此,本课题的研究将对于我国在油田节能供电方面技术的提升、供电质量的提高以及高性能供电技术的发展都具有很大的意义,为使电能能够在油田中得到高效、低污染的应用开辟重要途径。

摘要：油田配电网网络较大,用电设备较多,谐波产生几率较为频繁。通过对油田配电网谐波规律的分析,从理论上假设油田配电网的数学模型,采用改进的神经网络算法进行建模和预测,最终分析模型的预测能力和误差精度,根据MATLAB仿真,验证了此方法的有效性。

关键词：油田,配电网,谐波,神经网络

参考文献

[1]温嘉斌,李菁华,宗继东.小波多分辨率分析在油田配电网谐波检测中的应用[J].现代电子技术,2008,(3):134-135.

[2]戴庆.国内外油田配电系统无功与高次谐波补偿理论研究[J].国外油田工程,2002,3(28):48-50.

[3]于同洋.基于BP神经网络的营销风险评估研究[D].武汉理工大学:武汉理工大学,2006.

[4]许月恒,朱振中.基于BP神经网络的营销绩效评价研究[J].山东理工大学学报(自然科学版),2008,(2):167-171.

变配电系统中的谐波治理 第2篇

城市污水厂和给水厂的用电设备中,常常遇到变频机组,且单机容量较大,这类非线性负载会产生大量谐波电流,并进入配电系统,对系统内各种用电设备包括变压器、电动机、电容器、电缆等均会造成不同程度的危害,因此消除或抑制谐波危害就显得十分必要。

1 谐波的概念、产生及危害

1.1 谐波

谐波是频率为50Hz整倍数的正弦波电压或电流谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电流。

当基波和谐波叠加时,形成形状怪异的波形,这称为波形畸变。例如,图1是基波与5次、7次谐波叠加的结果,这是工业场合常见的电流波形。在实际工程中,大多数谐波为奇次谐波,也就是3、5、7、11、13…。

正常的交流电压或者电流是正弦波,当电压波形或电流波形发生畸变时,就说明其中包含了谐波成分。

1.2 谐波的国家标准

(1)根据《GB50052-2009供配电系统设计规范》在第5条“电压选择和电能质量”中专门针对电能质量和谐波保护提出了要求。(2)本标准要求采用电能质量治理,例如:谐波保护器、有源滤波器等等。(3)《JGJ16-2008民用电气设计规范》也对精密生产企业的谐波要求提出了明确的要求。(4)《GB/T14549电能质量公用电网谐波》对谐波的限值标准:治理后注入电网公共连接点的谐波电流分量(方均根值)不应超过表1中规定的允许值。(在保留现有电容柜的情况下)

1.3 谐波电流的产生

产生谐波电流的负载称为非线性负载,与之对应,不产生谐波电流的负载称为线性负载。

变频电机工作时,之所以产生谐波电流,是因为变频电机输入端的整流电路的阻抗不是一个定值,其阻抗随着外加电压的变化发生变化,这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。

理想的电阻、电感和电容都是线性负载。但是实际的电感可能是非线性负载,如带有铁芯的电感,其电感量随着外加电压而变化。

非线性负载的阻抗随着施加在其上的电压变化,这时流过它的电流与施加在它上面的电压不是线性关系,故称其为非线性负载。

带平滑电容的整流器是最常见的非线性负载,它产生的谐波电流与电路结构有关。整流器从电网吸取脉冲电流,每个交流电周期整流出的脉冲数称为这个整流器的脉数。

整流器所产生的谐波的种类与整流器脉数有关,具体关系如下:

M=P*n±1。式中:M=整流器产生的谐波次数;P=整流器的脉数;n取自然数。

变频电机的谐波电流是由变频电机非线性负载输入电路导致的。不同脉数的整流器产生的谐波不同,3相6脉的整流器产生的谐波电流以5次、7次、11次、13次为主。

1.4 谐波电流的危害

变频电机产生的谐波电流危害如表2所示。谐波电流导致的故障现象分为两大类,第一,导致电缆或变压器过热;第二,导致电网上的其他设备出现误动作或性能降低。

2 谐波的治理方法

按照谐波产生及危害的领域:可分为电力侧谐波与用户侧谐波。

(1)电力侧谐波领域主要研究由于电力传输、配电、变压器等谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其谐波次数范围一般为2≤n≤40。

(2)用户侧谐波领域主要研究由于工业、商业用户的变频器、计算机、开关电源等产生的谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其谐波次数范围一般为40≤n。电力侧谐波与用户侧谐波的区别如表3。

市政工程的谐波特点:(1)存在数量较少但单机容量较大的谐波源。(2)UPS下端的设备分布较为集中。

2.1 电力侧谐波治理—有源谐波保护器

有源谐波保护器,针对电力测谐波,可以快速准确地实时跟踪检测出谐波,并通过准确的算法,控制IGBT实现对谐波的实时补偿。

2.1.1 有源谐波保护器工作原理

如图1,在断路器合闸后,首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电,这个过程会持续几秒钟,是防止上电后对DC母线电容器的瞬间冲击。母线电压Vdc达到额定值后,预充电接触器闭合。直接电容作为储能元件,为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时,直流电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。通过外部CT采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块,该模块将基波成分分离,将谐波成分送至调节和检测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和有源谐波保护器已发出的补偿电流比较,得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路,触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中,实现滤除谐波的功能。

2.1.2 有源谐波保护器的特点

(1)采用先进的DSP+ASIC数字逻辑方式消除电力侧谐波。(2)实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形。分离出谐波部分,将其反相,再通过IGBT逆变器的触发将反相电流注入到电网中,实现滤除谐波的功能。(3)可以提供超前或滞后的无功电流,用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。(4)可同时滤除2次到61次的谐波电流。(5)用户可自行选择谐波补偿次数,可以只滤波,或同时滤波和补偿无功。(6)100μs内响应负荷变化,全部响应时间为10ms(1/2周波)。(7)采用速度高达20KHz的IGBT,可实时消除谐波。(8)通信功能,RS485+以太网通信TCP/IP。(9)过电流限制:采用可靠的限流控制环节,当系统中的谐波电流大于谐波保护器的治理能力时,滤波器能在自己的额定容量范围内最大限度的对谐波进行补偿,维持正常工作,不会出现过载烧毁等故障。(10)三相四线制中中性线滤波能力为相滤波能力的3倍。(11)具有缓冲启动控制回路,能够避免自启动瞬间过大的投入电流,并限制该电流在额定范围之内。

2.2 用户侧谐波治理—无源谐波保护器

无源谐波保护器正是针对用户侧高次谐波(2kHz-10MHz)的污染,为用电设备提供谐波保护,改善越来越恶劣的电能质量的设备。

2.2.1 无源谐波保护器工作原理

无源谐波保护器采用了超微晶合金材料与特别电路,瞬时滤除电源中的尖峰、杂波,修正了因谐波影响而产生畸变的电源波形;对噪声进行吸收,修正电源波形,使电源波形变得光滑清洁,既提高了电网质量,又保证了仪器设备的正常运行。

无源谐波保护器并联在电路中,本身不耗电,它采用了超微晶合金材料与特别电路,能自动消除对用电设备具有破坏性的高次谐波,高频噪声等,防止计算机、电子设备、PLC等死机,确保用电设备的使用寿命。

2.2.2 无源谐波保护器的特点

(1)应用频段宽。能吸收各种频率各种能量的谐波干扰。自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声等干扰。(2)高可靠性。并联在电路中,导轨安装,将谐波消除在发生源。随时跟踪电源波形,矫正因谐波影响而产生畸变的电源波形。(3)保障设备运行。本身不耗电,而且采用谐波保护减少了仪器设备的故障率和机器误操作,全面克服了由于谐波污染导致用电装置电能利用效率降低,故障率高的问题,保障了设备的安全运行。(4)经久耐用,安全可靠。采用超微晶合金材料,采用航空铝材和工程塑料一体的外壳,接线端子进行了专门的耐高温处理,从而最大限度的保证其安全性和可靠性。

3 谐波的治理效果

某项目根据现场测得数据,加装有源谐波保护器后通过对系统计算机仿真实验,可得到如图2结果。

由图可明显看出,系统电流波形在经有源滤波器投入后变成光滑的正弦曲线,谐波治理效果明显。

4 总结

加装有源滤波器后:(1)明显滤除电力系统中谐波分量,使波形变得光滑完整,从而有效的保护了用电设备,延长其使用寿命;(2)提高电动机的使用效率,达到额定工作功率;(3)降低电容器被烧毁的风险,减少经济开支;(4)消除了计算机频闪、死机现象,并保障了数据的传输。

摘要：加装有源滤波器后,可以明显滤除电力系统中谐波分量,使波形变得光滑完整,从而有效的保护了用电设备,延长其使用寿命。

关键词：谐波,谐波电流,谐波保护器

参考文献

[1]奥地利,乔治.J.瓦基勒.中译本.电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计.

[2](美)德拉罗萨De ia Rosa,译者:赵琰,孙秋野.电力系统与谐波.

[3]罗安编著.电网谐波治理和无功补偿技术及装备.

[4]电能质量公用电网谐波,GBT14549-93.

配电网络中谐波 第3篇

1 谐波的危害

在化工企业配电系统中, 由谐波引发的设备故障和灾害是非常严重的, 影响了该企业整个配电系统的正常运行。通过对化工企业的调查分析发现, 谐波不仅影响了配电点线路的正常运行, 还影响了部分电力设备的工作。大多数化工企业都是依靠电磁式继电器、感应式继电器等来保护供配电线路和电力电压器的安全, 但是受谐波的影响电磁式继电器、感应式继电器又容易做出错误的动作, 导致其保护功能失效, 严重时可能会致使配电系统瘫痪。除此之外, 化工企业的配电系统中产生谐波时, 系统投入电容器的电压会增强, 一旦这种电压超出电容器的承载能力时, 则会使电容器持续发热, 加速了电容器绝缘介质的老化, 反过来电容器将已畸变的电压投入到配电系统中, 也会加剧谐波的产生, 是一个不断恶化的过程。配电系统中谐波的产生还会加大变压器铜和铁的使用, 相应的电阻损耗和磁滞损耗等也会增加, 这无疑会降低变压器的实际容量, 弱化了变压器的变压功能。与此同时, 大量的谐波还会致使变压器的震动加强, 加重了变压器的噪声污染。以上述及的这些危害都是谐波危害中的一部分, 谐波还会对异步电机、断路器以及弱电系统设备等造成干扰, 严重影响了化工企业配电系统的正常运转。因此, 我们应进一步加强对谐波的研究, 并采取有效地治理方式方法, 以保证化工企业日常生产的正常用电。

2 化工企业配电系统中谐波源类型分析

究极化工企业配电系统中谐波产生的根源, 主要由配电系统中部分设备及负荷的非线性特性引发的, 很多化工企业配电系统中的电压与电流不成正比关系, 致使电路的波形产生畸变, 最终出现谐波。一旦化工企业的配电系统向非线性设备和负荷传输电流时, 这些设备和负荷会在传播、转换、吸收基波能量的过程中, 将部分基波能量转化为谐波能量倒输给配电系统, 从而降低配电系统的电能质量。从谐波发生的概率分析, 我们大致可以将化工企业配电系统中的谐波源分为稳定型谐波源、动态性谐波源以及突发型谐波源。其中, 由稳定型谐波源产生的谐波组成和幅值基本稳定不变, 主要包含了稳定电压下因变压器铁芯的非线性特征引出的谐波以及由附带稳定负载的整流、环流设备引出的谐波等;由动态性谐波源产生的谐波随意性非常强, 不具稳定性, 譬如电弧炉、电气化机车引出的谐波等。在化工企业中, 由电弧炉产生的谐波尤为严重, 其冶炼的不对称性和电弧燃烧的不稳定性都是造成谐波幅值震荡的重要因素;由突发型谐波源产生的谐波一般不会出现在化工企业正常运行的配电系统当中, 它只有在某些特定的条件下才会产生。典型的动态型谐波源有变压器空载合闸的励磁涌流等等。我们只有知悉每一种谐波源的类型归属, 并分析其产生的根源, 才能制定有针对性、有目标性的谐波治理方案, 从而提升谐波治理效果。

3 化工企业配电系统中谐波的治理措施

通过对谐波危害的分析, 我们深刻的认识到谐波治理的重要性。作者结合上文中对化工企业配电系统中谐波源类型的总结和分析, 就化工企业配电系统中谐波治理的措施进行了探讨, 并提出了一些有效建议, 以供参阅。

3.1 优化整流装置

对于化工企业而言, 治理谐波最行之有效的方法无疑是优化整流设备。我们可以改进整流装置的内部结构, 提升其控制精度, 从而减小配电系统中的谐波电流。具体而言, 我们可以从两个角度来完成整流装置的优化:一, 改变换流器的相数, 减小触发角。理论上来讲, 一个换流器的交流内测只会含有其相数任何正整数倍数的特征谐波分量, 这个数值误差不会超过正负一次, 而且每次特征谐波的电流值与谐波次数成反比关系, 即换流器的相数越高, 那么幅值高、频次低的谐波发生频率越低甚至消除。值得注意的是, 这种治理谐波的方案只有在三相负载完全平衡的前提下才能产生效果, 并不适用于任何情况的配电系统。这是因为假如化工企业配电系统中的三相负载不平衡, 那些被消除的谐波会转化为非特征形式的谐波重新出现;二, 改变整流变压器的接线方式。一般情况下, 化工企业配电系统中的变压器都是以三角形的方式连接在一起, 在此我们可以将其中的两台用星形连接起来, 从而使其具备十二脉波整流装置的效能, 有效消除谐波电流中较高次数的谐波。与此同时, 我们还应加装平衡电压器, 以保证化工企业配电系统的正常、安全运行。另外, 我们在改变整流变压器接线方式时, 会将高压绕组匝数减至原来的57.7%, 理论上此时变压器绕组容量会超出额定的容量范围。因此, 我们要注意仔细核算新型接线方式变压器的容量, 确定其能够满足负荷要求之后, 方可使用。

3.2 安装滤波设备

化工企业在配电系统中加装滤波设备需要根据整流装置产生高次谐波次数、高次谐波电流值等条件而定, 在此过程中, 还需考虑以下两个方面的因素:一方面, 选用正确的方式加装滤波设备。化工企业可以根据配电系统的运行实际, 合理的改进系统接线方式, 使同属于一根母线的两个回路改为并行工作状态, 如此我们只需在母线上安装滤波设备就可达到预期的谐波治理效果, 减少企业的资本投入;另一方面, 考察整流装置优化效果。常规上我们认为, 经过优化的整流装置完全或基本可以达到偶次谐波以及三次谐波的治理要求, 但是受某些条件的限制这也不是绝对的。假如优化过的整流装置注入配电系统中的谐波电流含量依然超出了国家额定的标准, 化工企业再选择加装滤波设备, 以为本企业节约使用成本和维护成本。除此之外, 化工企业还要注意选用滤波设备的科学合理性。一般选装的滤波器需要具备两项功能, 即经过滤波器注入系统的谐波次数能降低到国家规定的范围之内和滤波器可以进行基波无功补偿, 能够为负荷提供所需的无功功率。化工企业切不可盲目的加装滤波装置, 应该协同相关技术人员全面、仔细分析本企业的配电系统运行实际, 明确自身的谐波治理需求, 在保证有效治理谐波的同时注意把控治理成本, 尽量将由谐波治理产生的费用降到最低。

3.3 降低谐波含量

除了以上提出的两种治理谐波的有效方式, 我们还可以在谐波源上做文章, 降低其中谐波的含量, 有效抑制谐波的产生。这种方法相对比较积极, 能够为化工企业节约更多地谐波治理成本。近年来, 随着科学技术的发展, 化工企业可采用多种方式降低配电系统中谐波源携带谐波的数量。在此作者主要介绍调整脉宽法和多重化整流电路法两种。其中, 调整脉宽法是指通过控制PWM输出波形的转换时机, 来使四分之一波形相互对称, 继而实现谐波治理和基波幅值控制的方法。PWM技术是近年来人们最常用的谐波治理技术之一, 包含了最有脉宽调制技术, 跟踪行PWM技术以及自控式PWM技术等, 其优势就在于能够提高功率因素, 有效降低谐波源中低次谐波的含量。多重化整流电路法则是指通过叠加多个方波, 消除谐波源中低次数谐波的含量, 从而得到与正弦波相近阶梯波的谐波治理方法。当整流电路的重数越多时, 其波形与正弦波越相近, 此时化工企业配电系统的电路愈加复杂, 所以多重化整流电路法主要适用于大容量场合。此外, 调整脉宽法和多重化整流电路法并不冲突, 两者结合使用会取得更好地谐波治理效果。

4 小结

总之, 化工企业加强配电系统中的谐波治理工作是非常重要的。由于作者的个人认知有限, 有关化工企业配电系统中谐波治理方面的研究还可能存在很多不足之处。因而, 化工企业在以后的工作实践工作, 要根据本企业的配电系统运行实际, 加强谐波治理方面的分析和研究, 从根源上分析谐波产生的原因, 并借助现代先进的检测技术和治理技术, 积极探索出更多的谐波治理方案, 加以应用, 从而保证企业的供配电正常, 促进企业的可持续发展。

参考文献

[1]张旻, 毛晓红.并联型有源电力滤波器在厂矿企业中的应用[J].电力科学与技术学报, 2011 (02) .

[2]樊汇军.浅谈配电网谐波治理[J].科技风, 2010 (07) .

谐波治理在卷烟行业变配电中的应用 第4篇

1 变频器谐波的产生

从结构来看, 变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流, 然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流, 没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换, 在负荷上就获得了交变输出的电压UO, UO的幅值决定于各整流装置的控制角, 频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频有三种不同的结构形式:1) 用可控整流器变压, 用逆变器变频, 调压和调频分别是在两个环节上进行, 两者要在控制电路上协调配合。2) 用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频, 这种变频器整流环节用斩波器, 用脉宽调压。3) 用不控整流器整流, PWM逆变器同时变频, 这种变频器只有采用可控关断的全控式器件 (如IGBT等) 输出波形才会非常逼真的正弦波。无论是哪一种的变频器, 都大量使用了晶扎管等非线性电力电子元件, 不管采用哪种整流方式, 变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波, 而是以脉动的断续方式向电网索取电流, 这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上, 使电压发生畸变, 经傅里叶分析可知, 这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

2 变频器谐波的危害

变频器工作时会产生大量的谐波电流, 谐波电流在电网阻抗上产生压降, 会使电压波形也变成非正弦。这样, 连接在同一点的其它设备上就会被施加了含有谐波成分的非正弦电压, 致使一些敏感设备无法正常工作。谐波对企业的危害主要表现在以下几个方面:

1) 谐波使企业电网中的设备产生附加谐波损耗, 降低电网、输电及用电设备的使用效率, 增加电网线损。在三相四线制系统中, 零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流, 造成零线过热。

2) 谐波会产生非正常扭矩和额外的热效应, 从而引起用电设备震动、发热, 使绝缘老化, 降低设备的使用寿命。

3) 如果企业电网中装有补偿电容器, 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生谐振, 使谐波电流放大几倍甚至数十倍, 造成过电流, 引起电容器和与之相连的电抗器、电阻器的损坏。

4) 谐波会引起企业中一些敏感的自动化设备误动作, 同时也会导致电气测量仪表计量不准确。

5) 谐波会对附近系统的信号传输产生干扰, 轻者引入噪声, 重者导致信号丢失, 使系统无法正常工作。

3 谐波的治理

3.1 合理装设无源交流滤波器

这种途径是现阶段最常见、最实用, 最有效的抑制高次谐波的措施。无源滤波装置由电力电容器、电抗器和电容器联结成的交流滤波器组合而成, 运行中它和谐波源并联, 除作滤波外兼作无功补偿。

3.2 配备有源滤波器

利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的。输出电压中含有基波以外的其它谐波, 较低次谐波对电机负载影响较大, 引起转矩脉到动, 而较高次谐波通常使变频器输出电缆漏电流增加, 使电动机出力不足, 可以采用以下方法抑制:

1) 安装电抗器。在变频器的输入输出端串联合适的电抗器或安装LC型谐波滤波器, 达到抑制谐波的目的。

2) 设置专用的谐波器。设置专用的谐波器用来检测变频器的相位, 并产生一个与谐波电流幅值相同而相位正好相反的电流, 从而有效地吸收谐波电流。

3) 增加变频器供电电源的内阻抗。在有条件或新安装变压器时选择短路阻抗较大的变压器。通常电源设备的内阻抗可以缓冲变频器直流滤波电容的无功功率作用, 内阻抗越大, 谐波含量越小。

4 实例分析

郑州卷烟厂动能车间卷接配电室, 配置两台2000KVA的干式变压器, 由于其负卷包车间的使用大量变频器, 曾经引起电抗器损坏、低压开关烧毁, 我们使用美国FLUKE43B电能质量分析仪对其中一台变压器负载进行测量, 测试点位于电容补偿后负载前的母排, 经测量发现变压器副边侧5次电流谐波达到148A, 7次电流谐波达到45A, 从波形上明显看到畸变严重。总电流为746A, 畸变率为22.2%, 总的谐波电流可以计算出为74622.2%=165.61A。

测试波形如下:

治理方案:在变压器副边侧并联接入有源滤波装置对谐波进行治理, 使我们的电能质量品质更加完美, 使系统正常运行不受谐波危害。

治理结果:A是补偿后, 在安装200A有源电力滤波器后, 电流畸变率得到大幅下降, 电流波形图由投入前的不规则转变为投入后的接近正弦波。

5 结语

谐波是电能质量的一大问题, 数据丢失、计算机误动作、短路器无故跳闸、设备过早失效和电气设备过热等电气故障都是由谐波造成的。产生谐波的原因是多方面的, 谐波对于电网, 电气设备的危害也是多方面的, 解决供电系统中的谐波污染问题, 必须要供电部门、电力用户和电气设备制造商三方面结合起来, 一方面要尽量限制谐波的发射水平, 另一方面, 提高设备抑制谐波干扰的能力, 只有这样, 电力系统的供电、用电、设备制造商三个环节齐心协力才能搞好谐波治理这项系统工程。

参考文献

[1]刘建胜.工厂电气谐波产生的原因及治理期刊论文.科技创新导报, 2010.

[2]罗安电网谐波治理和无功补偿技术及装备.2006.

[3]孙荣旗电力系统谐波的测量及其控制方法期刊论文.电工技术杂志, 2004.

配电网络中谐波 第5篇

1 谐波潜在影响分析与危害

正常合格的电能源是以50HZ变化的三相交流正弦波电源。对于其它不同频率、幅值的正弦波形统一称之为谐波。就剧场而言, 谐波主要是由可控硅调光器引起, 每个调光器实质就是一个单相交流调压器。

可控硅调光器是采用相位控制方法来实现调压调光的。其原理是通过控制触发信号的施加时间 (或相位) 来改变可控硅正弦波交流输出电压, 即改变导通角θ (或控制角a) 大小来实现调压调光, 导通角越大, 调光器输出的电压越高, 灯就越亮。由于采用移相调压控制通光量度, 调光器输出电压波形除含有50Hz的基波成分外, 还含频率为基波分量整数倍的高次谐波。这些高次谐波通过导线传导到其它负载, 引起电源电压波形畸变。

当谐波电流、电压超出国家标准 (GB/T14549-93) 和国际标准 (IEC1000-3-4、IEEE-519-1992) 时, 将对供配电系统产生不利影响与危害。其危害有以下几方面:

(1) 对电力电缆造成危害。由于电力线路中的高次谐波会产生叠加, 使得电缆导体集肤效应越发明显, 导致电缆导体的内阻增大, 使得电缆允许通过电流减小。在供配电三相电源线路中, 相线中的3次以上的谐波会叠加在中性线路上, 会使流过中性线的电流值大于相线电流, 引起线路过热损坏甚至发生火灾。

(2) 变压器谐波电流会造成变压器绕组线圈的内阻损耗、涡流损耗、杂散损失的增大, 谐波电压会使变压器铁芯产生的涡流和磁滞损耗增加。由于两方面损耗的增加, 从而导致变压器的实际使用容量下降, 降低了变压器的使用效率。谐波电流还会使变压器运行时产生的损耗转变为热能由内向外扩散, 引起变压器外壳、外层硅钢片及紧固件发热而产生振动或噪音, 加速绝缘保护材料的老化, 降低了变压器的使用寿命, 严重时会使变压器无法正常地运行。

(3) 当电网中电容器发生并联谐振或串联谐振时, 会进一步引起谐波的放大, 造成供电设备过流、过热、爆裂甚至引起火灾, 严重时会造成用电安全事故。

(4) 谐波对电机的影响除了引起附加损耗外, 还会引起伺服电机产生脉动, 交流异步电机产生机械振动、增大噪音量。降低电气设备中的继电保护装置、自动系统装置的灵敏度或产生误动作, 造成控制开关的闭合能力下降和精密测量仪表的计量不准或计量紊乱等现象。

(5) 对弱电线路产生电磁干扰。谐波通过静电感应、电磁感应与传导方式耦合到计算机网络、通信、电视转播、火灾自动报警等弱电设备中, 产生电磁干扰, 造成信息系统传输故障、显示器频闪或产生误动、拒动故障。

2 谐波治理作用与解决措施

谐波治理可有效的降低电网中谐波电流, 提高供电质量, 减少对电网的危害, 增加负载设备的带载能力, 提高变压器的实际使用容量, 减少因变压器扩容所带来的高额扩容费用。谐波完全治理后可提升变压器供电容量的20%;谐波治理还可提高变压器功率因数, 降低变压器的铜芯、铁芯损耗, 减少电流在电缆导体中的集肤效应, 减少设备的机械振动或噪音, 降低电网损耗而提升电能的利用效率。在相同供电、相同负载情况下, 功率因数由低到高, 则电流谐波畸变由高到低。

η (功率因数) =[I1 (基波电流) /I (总电流) ]cosφ=λ (基波因子) cosφ (基波功率因数)

从公式可以看出, 基波因子反映了谐波对功率因数的影响。所以要解决功率因数过低的情况, 首先要解决谐波问题。为抑制谐波源产生干扰带来的危害, 可采取以下几种解决措施:

(1) 利用变压器绕组的接线方式来抑制谐波的产生。《剧场建筑设计规范》JGJ67-2001第10.3.3条明确规定:当舞台照明采用可控硅做调光设备时, 其电源变压器宜采用接线方式为Δ/Y0的变压器。考虑到对称的三相负载中的非正弦波高次谐波分量相位均相同, 可以将舞台专用变压器中的初级绕组或次级绕组中的任一绕组连接成△接线方式, 给负载中的高次谐波提供通路, 促使三次谐波零序磁通互相抵消。

(2) 有些舞台设备其自身就是谐波源, 一些专业电子信息设备, 尤其是电声学系统、通信系统又对谐波干扰高度敏感, 这些设备使用同一供电回路又难以区分, 为此可利用在舞台专用变压器低压柜进线处安装无源谐波滤波器柜来抑制谐波的产生。

(3) 对于可控硅调光器引起的谐波, 大量的实测数据表明, 调光灯回路在100%以下负载时电流均发生畸变, 且以3、5、7次谐波为主。为此可在调光设备进线回路上配置有源滤波器进行谐波治理和提高功率因数, 补偿容性无功, 减少因调光设备产生的谐波对其它设备的干扰, 从而改善供电质量。

(4) 对于剧场中央空调变频调速系统引起的谐波, 则要求配置交流电抗器、直流电抗器和抗无线电干扰滤波器, 减缓电流畸变波形, 使其更加接近正弦波形。

(5) 对于可控硅控制的调光照明线路宜采用单相供电, 导线的线径在原设计基础上须增大一级, 以此降低导线的内阻损耗。在采用三相配送供电时, 尽可能将三相负载的相位均匀分布, 对于零线线径则要求为相线线径的2倍, 即采用等线径5芯电缆, 其中2芯作为零线, 接地线采用偏钢单独敷设。此方法可有效抑制调光回路上产生的高次谐波磁场。电视幕墙回路与电子照明设备回路的中性线采用与相线同线径。

(6) 采用可控硅调光装置的照明线路应避免与弱电线路平行敷设。当必须平行敷设时, 其间距应大于1m。若垂直交叉时, 间距应大于0.5m;并外套金属管进行屏蔽且可靠接地。接地电阻须小于1欧姆。对于舞台音响、计算机控制设备和弱电线路的电源则要求与舞台照明不同的变压器分路供电, 同时须做好屏蔽措施, 以此减少相互干扰。

参考文献

[1]徐贵生.浅谈剧场建筑低压配电系统的谐波治理设计[J].艺术科技, 2011.

[2]刁海燕.剧场建筑电气设计中的谐波与治理[J].低压电器, 2007.