论文部分内容阅读
【摘 要】大功率传动装置所产生的谐波对电网的危害很大，是电网谐波的一个主要来源。尤其是大功率的变频调速系统，谐波问题越来越突出，电能质量下降，给各种用电设备和仪表带来了很大的危害，必须抑制这些谐波，所以谐波的检测显得越来越重要。国内外对此进行了很长时间的研究，通过学者的不懈努力，也取得了丰硕的成果。
【关键词】电网；谐波；治理
一、交流传动所产生的谐波问题
大功率传动装置所产生的谐波对电网的危害很大，尤其是大功率的变频调速系统，谐波问题越来越突出，电能质量下降，给各种用电设备和仪表带来了很大的危害。我们希望交流传动变换器输出只含基波的正弦波，但实际应用的逆变器总含有谐波，这些畸变的电流和电压可能造成很多危害，如会让工业生产被干扰中断，受此影响，装配线可能经常停工，产生大量废品，造成很大的经济损失。虽然控制装置的调制控制方法能够在产生所需的基波的同时，应尽可能的优化其他的高次谐波。但是谐波不可避免的产生，这就要求对这些谐波进行监测、分析后，确定治理方案。达到最大程度的消除特定谐波或最小化总谐波（TDH）畸变率，进而使由谐波产生的电力电子设备的功率损耗达到最小。
另外变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变电路多采用PWM 技术 要用到IGBT 大功率管。当控制电路根据需要给出相应的频率和幅值的开关脉冲， IGBT 大功率管工作时，其输出的电压和电流波形中带有与开关频率相应的高次谐波群。我们知道高载波频率和场控开关器件高速切换的dv/d t 可达1kv/Ls 以上 所以引起的辐射干扰问题是相当突出。当然，变频调速电路除了通过辐射向外部发射产生干扰外，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入电源电路形成传导形干扰。
经查证资料，交流传动所产生的谐波基本上是5次，7次，9次和13次谐波，其他次数的谐波比较少。
二、谐波的一些治理措施
采取一些措施来消除这些对各种电子设备和电网造成很大危害的谐波，下面简单介绍一下消除谐波的方法和措施。
（1） 滤波
所谓的滤波就是，一个电信号中有若干种成分，把其中一部分交流信号过滤掉就叫滤波。一般将电力电网或电力设备中某些不需要的交流信号去掉，通常采用滤波的手段。可以很好的消除谐波，尤其是高次谐波。滤波又可以分为有源滤波和无源滤波。就目前来说，无源滤波应用较多，效果较好，价格较低。包括三种形式：
a：串联滤波。对3次谐波的抑制效果明显。
b：并联滤波。可以滤出多次谐波，并给系统提供无功补偿，是应用最广泛的消除谐波，净化电源的装置。
c：低通滤波（串并混合）。对高次谐波治理效果更佳。
而我们最常用的就是并联电容器补偿，如下图所示：
并联电容器补偿
主要有以下三种补偿方式：
a集中补偿方式。将高压电容器集中安装在总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。
b分散补偿。对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器安装在低压配电室。如下图所示，在低压母线侧并联补偿。
在低压母线侧并联补偿
c就地补偿。对距供电点较远的大、中容量连续工作制的电动机（如风机、水泵、压缩机、球磨机等），应采用电动机无功功率就地补偿装置。如下图所示。它不仅可以提高功率因数，而且可以减少线路损失，减小总电流，对提高变压器负载率有明显效果。
电动机无功功率就地补偿装置
为了减少和避免高次谐波对并联补偿装置的危害，采用对高次谐波的抑制措施为减少谐波电流流入电容器和合闸涌流，可串联适当的电抗器。其感抗值应在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗，从而消除谐振的可能。为了防止可能出现铁磁谐振，一般应采用无铁芯电抗器。
近年来，随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。
有源滤波器是一套使用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入，以消除谐波和提供无功电源的电力电子系统。通过适当的设计选型，有源滤波器能大量减少谐波，并将功率因数提高到接近1的水平。有源滤波器直接并联至线路中产生谐波的负荷。对于3相3线电力系统，电流传感器安装于其中的两相上，为逻辑控制电路提供负荷的电流波形。有源滤波器逻辑电路会去除波形中的基频（50和60赫兹）成分。逻辑电路将剩余的波形反向并调整IGBT的触发来复制这一反向波形。这样的处理得到的结果用于去除上游电力系统谐波电流。由于谐波电压是谐波电流流过电源阻抗而产生的，因此它们也显著地减少。有源滤波补偿系统在很多重要场所应用效果非常好，可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中。
（2） 接地
正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。
（3） 屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（ac380v）及控制线（ac220v）完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
（4） 采用多相脉冲整流
在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDV大约为10% ～15%， 18相脉冲整流的THDV约为3% ～8%，满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。
（5） 采用电抗器
在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。
参考文献：
[1]王正云，赵兴兵. 谐波及谐振对电网的危害与防治措施[J].云南电力技术， 2009（10）.
[2]李红，杨善水. 电力系统谐波的检测与发展[J]. 现代电子技术， 2004（9）.
[3]张彦荣，何新军. 应用于大功率变频器的谐波测控装置[J]. 节能技术， 2009（27）.
[4]吴京，果明明，徐忠富. 信号与系统分析[M]. 国防科技大学出版社，2004.8
[5]高西全，丁玉美. 数字信号处理[M]. 西安电子科技大学出版社，2008.8
[6]刘开培，张俊敏. 基于DFT的瞬时谐波检测方法[J]. 电力自动化设备， 2003，23（3）.
【关键词】电网；谐波；治理
一、交流传动所产生的谐波问题
大功率传动装置所产生的谐波对电网的危害很大，尤其是大功率的变频调速系统，谐波问题越来越突出，电能质量下降，给各种用电设备和仪表带来了很大的危害。我们希望交流传动变换器输出只含基波的正弦波，但实际应用的逆变器总含有谐波，这些畸变的电流和电压可能造成很多危害，如会让工业生产被干扰中断，受此影响，装配线可能经常停工，产生大量废品，造成很大的经济损失。虽然控制装置的调制控制方法能够在产生所需的基波的同时，应尽可能的优化其他的高次谐波。但是谐波不可避免的产生，这就要求对这些谐波进行监测、分析后，确定治理方案。达到最大程度的消除特定谐波或最小化总谐波（TDH）畸变率，进而使由谐波产生的电力电子设备的功率损耗达到最小。
另外变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变电路多采用PWM 技术 要用到IGBT 大功率管。当控制电路根据需要给出相应的频率和幅值的开关脉冲， IGBT 大功率管工作时，其输出的电压和电流波形中带有与开关频率相应的高次谐波群。我们知道高载波频率和场控开关器件高速切换的dv/d t 可达1kv/Ls 以上 所以引起的辐射干扰问题是相当突出。当然，变频调速电路除了通过辐射向外部发射产生干扰外，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入电源电路形成传导形干扰。
经查证资料，交流传动所产生的谐波基本上是5次，7次，9次和13次谐波，其他次数的谐波比较少。
二、谐波的一些治理措施
采取一些措施来消除这些对各种电子设备和电网造成很大危害的谐波，下面简单介绍一下消除谐波的方法和措施。
（1） 滤波
所谓的滤波就是，一个电信号中有若干种成分，把其中一部分交流信号过滤掉就叫滤波。一般将电力电网或电力设备中某些不需要的交流信号去掉，通常采用滤波的手段。可以很好的消除谐波，尤其是高次谐波。滤波又可以分为有源滤波和无源滤波。就目前来说，无源滤波应用较多，效果较好，价格较低。包括三种形式：
a：串联滤波。对3次谐波的抑制效果明显。
b：并联滤波。可以滤出多次谐波，并给系统提供无功补偿，是应用最广泛的消除谐波，净化电源的装置。
c：低通滤波（串并混合）。对高次谐波治理效果更佳。
而我们最常用的就是并联电容器补偿，如下图所示：
并联电容器补偿
主要有以下三种补偿方式：
a集中补偿方式。将高压电容器集中安装在总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。
b分散补偿。对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器安装在低压配电室。如下图所示，在低压母线侧并联补偿。
在低压母线侧并联补偿
c就地补偿。对距供电点较远的大、中容量连续工作制的电动机（如风机、水泵、压缩机、球磨机等），应采用电动机无功功率就地补偿装置。如下图所示。它不仅可以提高功率因数，而且可以减少线路损失，减小总电流，对提高变压器负载率有明显效果。
电动机无功功率就地补偿装置
为了减少和避免高次谐波对并联补偿装置的危害，采用对高次谐波的抑制措施为减少谐波电流流入电容器和合闸涌流，可串联适当的电抗器。其感抗值应在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗，从而消除谐振的可能。为了防止可能出现铁磁谐振，一般应采用无铁芯电抗器。
近年来，随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。
有源滤波器是一套使用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入，以消除谐波和提供无功电源的电力电子系统。通过适当的设计选型，有源滤波器能大量减少谐波，并将功率因数提高到接近1的水平。有源滤波器直接并联至线路中产生谐波的负荷。对于3相3线电力系统，电流传感器安装于其中的两相上，为逻辑控制电路提供负荷的电流波形。有源滤波器逻辑电路会去除波形中的基频（50和60赫兹）成分。逻辑电路将剩余的波形反向并调整IGBT的触发来复制这一反向波形。这样的处理得到的结果用于去除上游电力系统谐波电流。由于谐波电压是谐波电流流过电源阻抗而产生的，因此它们也显著地减少。有源滤波补偿系统在很多重要场所应用效果非常好，可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中。
（2） 接地
正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。
（3） 屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（ac380v）及控制线（ac220v）完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
（4） 采用多相脉冲整流
在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDV大约为10% ～15%， 18相脉冲整流的THDV约为3% ～8%，满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。
（5） 采用电抗器
在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。
参考文献：
[1]王正云，赵兴兵. 谐波及谐振对电网的危害与防治措施[J].云南电力技术， 2009（10）.
[2]李红，杨善水. 电力系统谐波的检测与发展[J]. 现代电子技术， 2004（9）.
[3]张彦荣，何新军. 应用于大功率变频器的谐波测控装置[J]. 节能技术， 2009（27）.
[4]吴京，果明明，徐忠富. 信号与系统分析[M]. 国防科技大学出版社，2004.8
[5]高西全，丁玉美. 数字信号处理[M]. 西安电子科技大学出版社，2008.8
[6]刘开培，张俊敏. 基于DFT的瞬时谐波检测方法[J]. 电力自动化设备， 2003，23（3）.