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一、諧波 1. 何為諧波？ 在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產生5、7次諧波。 “諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，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發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。 到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發展，發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。 諧波研究的意義，道德是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。 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題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。 裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。 3. 無功補償 人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。 無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，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，這在相當寬的范圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供并經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。 無功補償的作用主要有以下幾點： （1）提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。 （2）穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。 （3）在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功襝可以平衡三相的有功及無功負載。 二、諧波和無功功率的產生 在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。 電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。 近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，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。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。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，因而基波功率因數接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。 三、無功功率的影響和諧波的危害 1.無功功率的影響 （1）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。 （2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。 （3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。 2.諧波的危害 理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面。 （1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。 （2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 （3）諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 （4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。 （5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。 3 諧波知識 對該問題的介紹基于以下幾個方面：基本原理，主要現象和防止諧波故障的建議。由于功率轉換（整流和逆變）而導致配電系統污染的問題早在1960年代初就被許多專家意識到了。直到1980年代初，日益增長的設備故障和配電系統異�，F象，使得解決這一問題成為迫在眉睫的事情。今天，許多生產過程中沒有電力電子裝置是不可想象的。至少以下用電設備在每個工廠都得到了應用： - 照明控制系統（亮度調節） - 開關電源（計算機，電視機） - 電動機調速設備 - 自感飽和鐵芯 - 不間斷電源 - 整流器 - 電焊設備 - 電弧爐 - 機床（CNC） - 電子控制機構 - EDM機械所有這些非線性用電設備產生諧波，它可導致配電系統本身或聯接在該系統上的設備故障。僅考慮導致設備故障的根源就在發生故障現象的用電工廠內可能是錯誤的。故障也可能是由于相鄰工廠產生的諧波影響到公用配電網絡而產生的。在您安裝一套功率因數補償系統之前，如下工作是非常重要的：對配電系統進行測試以確定什么樣的系統結構對您是合適的�？烧{諧的濾波電路和組合濾波器已經是眾所周知的針對諧波問題的解決方案。另外的方法就是使用動態有源濾波器。本報告將詳細講解各種濾波系統的結構并分析它們的優缺點。 1.基本術語 載波 (AF) 是附加在電網電壓上的一個高頻信號，用于控制路燈、 HT/NT 轉換系統和夜間儲能加熱器。 載波 (AF) 檢出電路 由一個初級扼流線圈和一個并聯諧振電路（次級扼流線圈和電容）并聯組成的元件。 AF 鎖相電路用于檢出供電部門加載的 AF 信號。 電抗 在電容器回路串聯扼流線圈。 電抗系數 扼流線圈的電感 X L 相對于電容電感 X C 的百分比。 標準的電抗系數是：例如 5.5% 、 7% 和 14% 。 組合濾波器 兩個不同電抗系數回路并聯以檢出雜波信號，用于低成本地清潔電網質量。 Cos Φ 功率因數代表了電流和電壓之間的相位差。電感性的和電容性的 cosΦ 說明了電源的質量特性。用 cosΦ 可以表述電網中的無功功率分量。傅立葉分析 通過傅立葉分析使得將非正弦函數分解為它的諧波分量成為可能。在正弦頻率 ω 0 上的波形已知為基波分量。在頻率 n × ω 0 上的波形被稱為諧波分量。 諧波吸收器，調諧的 由一個扼流線圈和一個電容器串聯組成的諧振電路并調諧為對諧波電流具有極小的阻抗。該調諧的諧振電路用于精確地清除配電網絡中的主要諧波成分。 諧波吸收器，非調諧的 由一個扼流線圈和一個電容器串聯組成的諧振電路并調諧為低于最低次諧波的頻率以防止諧振。 諧波電流 諧波電流是由設備或系統引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上。 諧波 其頻率為配電系統工作頻率倍數的波形。按其倍數稱為 n 次（ 3 、 5 、 7 等）諧波分量。 諧波電壓 諧波電壓是由諧波電流和配電系統上產生的阻抗導致的電壓降。 阻抗 阻抗是在特定頻率下配電系統某一點產生的電阻。阻抗取決于變壓器和連在系統上的用電設備，以及所采用導體的截面積和長度。 阻抗系數 阻抗系數是 AF （載波）阻抗相對于 50Hz （基波）阻抗的比率。 并聯諧振頻率 網絡阻抗達到最大值的頻率。在并聯諧振電路中，電流分量 I L 和 I C 大于總電流 I 。 無功功率 電動機和變壓器的磁能部分，以及用于能量交換目的的功率轉換器等處需要無功功率 Q 。與有功功率不同，無功功率并不做功。計量無功功率的單位是 Var 或 kvar 。 無功功率補償 供電部門規定一個最小功率因數以避免電能浪費。如果一個工廠的功率因數小于這個最小值，它要為無功功率的部分付費。否則它就應該用電容器提高功率因數，這就必須在用電設備上并聯安裝電容器。 諧振： 在配電系統里的設備，與它們存在的電容 ( 電纜，補償電容器等 ) 和電感 ( 變壓器，電抗線圈等 ) 形成共振電路。后者能夠被系統諧波激勵而成為諧振。配電系統諧波的一個原因是變壓器鐵芯非線性磁化的特性。在這種情況下主要的諧波是 3 次的；它在全部 導體內與單相分量具有相同的長度，因而在星形點上不能消除。 諧振頻率： 每個電感和電容的連接形成一個具有特定共振頻率的諧振電路。一個網絡有幾個電感和電容就有幾個諧振頻率。 串聯諧振諧電路： 由電感（電抗器）和電容 ( 電容器 ) 串聯的電路。 串聯諧振頻率： 網絡的阻抗水平達到最小的頻率。在串聯諧振電路內分路電壓 U L 和 U C 大于總電壓 U 。 分量諧波 頻率不是基波分量倍數的正弦曲線波。 2. 諧波是什么？ 諧波是主電網頻率的倍數。術語“電網諧波也被使用。 電網頻率 f = 50 赫茲 3 次諧波 f = 150 赫茲 5 次諧波 f = 250 赫茲 7 次諧波 f = 350 赫茲 等用傅立葉分析能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數。 3.諧波分量是如何產生的？ 由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統的某些設備如功率轉換器比較大的背離正弦曲線波形。 諧波電流的產生是與功率轉換器的脈沖數相關的。6脈沖設備僅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于電網頻率。 功率變換器的脈沖數越高，最低次的諧波分量的頻率的次數就越高。 其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調節器產生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。 在供電網絡阻抗( 電阻) 下這樣的非正弦曲線電流導致一個非正弦曲線的電壓降。在供電網絡阻抗下產生諧波電壓的振幅等于相應諧波電流和對應于該電流頻率的供電網絡阻抗Z的乘積。次數越高，諧波分量的振幅越低。 4.諧波分量在哪里發生的？ 只要哪里有諧波源( 參看介紹) 那里就有諧波產生。也有可能，諧波分量通過供電網絡到達用戶網絡。例如，供電網絡中一個用戶工廠的運轉可能被相鄰的另一個用戶設備產生的諧波所干擾。 5.電容器的技術 MKP 和 MPP 技術之間的區別在于電力電容器在補償系統中的連接方式。 MKP( MKK ， MKF) 電容器： 這項技術是在聚丙烯薄膜上直接鍍金屬。其尺寸小于用 MPP 技術的電容器。因為對生產過程較低的要求，其制造和原料成本比 MPP 技術要相對地低很多。 MKP 是最普遍的電容器技術，并且由于小型化設計和電介質的能力，它具有更多的優點。 MPP( MKV) 電容器： MPP 技術是用兩面鍍金屬的紙板作為電極，用聚丙烯薄膜作為介質。這使得它的尺寸大于采用 MKP 技術的電容器。生產是非常高精密的，因為必須采用真空干燥技術從電容器繞組中除去全部殘余水分而且空腔內必須填注絕緣油。這項技術的主要優勢是它對高溫的耐受性能。 自愈： 兩種類型的電容器都是自愈式的。在自愈的過程中電容器儲存的能量在故障穿孔點會產生一個小電弧。電弧會蒸發穿孔點臨近位置的細小金屬，這樣恢復介質的充分隔離。電容器的有效面積在自愈過程中不會有任何實際程度的減少。每只電容都裝有一個過壓分斷裝置以保護電氣或熱過載。測試是符合 VDE 560 和 IEC 70 以及 70A 標準的。 6. 電容器的發展 直到大約1978年，制造電力電容器仍然使用包含PCB的介質注入技術。后來人們發現，PCB 是有毒的，這種有毒的氣體在燃燒時會釋放出來。這些電容器不再被允許使用并且必須處理，它們必須被送到處理特殊廢料的焚化裝置里或者深埋到安全的地方。 包含PCB 的電容器有大約30 W/kvar的功率損耗值。 電容器本身由鍍金屬紙板做成。 由于這種電容被禁止使用，一種新的電容技術被開發出來。為了滿足節能趨勢的要求，發展低功耗電容器成為努力的目標。 新的電容器是用干燥工藝或是用充入少量油( 植物油)的技術來生產的。現在用鍍金屬塑料薄膜代替鍍金屬紙板。因此新電容充分顯示出了其環保的特性，并且功耗僅為0.3 W/kvar。這表明改進后使功耗降至原來的1/100。這些電容器是根據常規電網條件而開發的。在能源危機的過程中，人們開始相控技術的研究。相位控制的結果是導致電網的污染和許多到現在才搞清楚的故障。 由于前一代電容器存在一個很高的自電感（所以功耗情況很差，達到現在的100倍），高頻的電流和電壓(諧波) 不能被吸收，而新的電容器則會更多地吸收諧波。 因此存在這種可能，即，新、舊電容器工作在相同的母線上時會表現出運行狀況和壽命預期的很大差異，由于上述原因有可能新電容器將在更短的時間內損壞。 我們向市場提供的電力電容器是專門為用于補償系統中而開發的。電網條件已經發生急劇的變化，選擇正確的電容器技術越來越重要。電容器的使用壽命會受到如下因素的影響而縮短： -諧波負載 -較高的電網電壓 -高的環境溫度我們配電系統中的諧波負載在持續增長。在可預知的將來，可能只有組合電抗類型的補償系統會適合使用。很多供電公司已經規定只能安裝帶電抗的補償系統。其它公司必須遵循他們的規定。如果一個用戶決定繼續使用無電抗的補償系統，他起碼應該選用更高額定電壓的電容器。這種電容器能夠耐受較高的諧波負載，但是不能避免諧振事故。 |
