電力系統(tǒng)的諧波特性及控制

張文從電力系統(tǒng)諧波、電網(wǎng)污染和綜合治理的實際工程問題出發(fā)，通過分析內(nèi)外發(fā)展趨勢，總結(jié)目前普遍關(guān)注的研究課題，探討了諧波綜合治理的規(guī)律和方法，并對應(yīng)用基礎(chǔ)研究提出了一些建議。[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng)諧波；電網(wǎng)污染；綜合控制

自20世紀(jì)80年代以來，電力電子學(xué)逐漸成為一門新興的交叉學(xué)科，相應(yīng)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也發(fā)展迅速。然而，由于電力電子裝置是一種非線性時變拓?fù)湄?fù)載，其造成的諧波污染對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行構(gòu)成潛在威脅，并對周圍的電氣環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，被公認(rèn)為電網(wǎng)的重大公害。因此，電力系統(tǒng)諧波及其控制的研究已經(jīng)擺在電力科技工作者面前。1.研究電力系統(tǒng)諧波的意義在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，正弦波的畸變由來已久。因為它的威力比較小，危害不明顯。然而，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能的形式提出了新的要求，具體體現(xiàn)在通過電力電子器件引入電力轉(zhuǎn)換技術(shù)來控制電力電子的通斷流動，以滿足用戶對頻率、電壓、電流、波形和相數(shù)的要求。還應(yīng)注意的是，隨著超大容量電力電子設(shè)備的使用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正試圖將其快速和實時可控性應(yīng)用于電網(wǎng)的電力傳輸和運行，并且在電力領(lǐng)域出現(xiàn)了具有先特特征的新興應(yīng)用，例如動態(tài)無功功率補(bǔ)償(ASVG、STATCOM)、有源電力濾波器(APE)、可控移位裝置(TCPA)和統(tǒng)一潮流控制(UPFC)。據(jù)內(nèi)專家統(tǒng)計，我目前的電能有30%是用戶經(jīng)過各種電力改造后使用的。但電源與用電設(shè)備之間的非線性接口電路實現(xiàn)了功率控制和處理，所有的電力電子器件都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，將諧波電流注入電網(wǎng)，嚴(yán)重扭曲了公共耦合點(PCC)的電壓波形，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾(EMI)。隨著電力轉(zhuǎn)換設(shè)備容量的不斷增加、應(yīng)用數(shù)量的快速增加和控制方法的多樣化，電力電子設(shè)備潛在的負(fù)面影響日益突出。隨著諧波問題逐漸被人們認(rèn)識和理解，對其原因的探索、計算方法的分析、危害和影響的機(jī)理、測量和評價標(biāo)準(zhǔn)的制定以及綜合治理的實施也在不斷深入。研究發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)諧波作為電工學(xué)的一個分支技術(shù)，也廣泛滲透和交叉其他相關(guān)學(xué)科。它是一門新興的交叉學(xué)科，也是一個有待加強(qiáng)的重點研究方向。近年來，世界科技界普遍關(guān)注兩大問題，稱為世界主義，即能源(節(jié)能、合理開發(fā)和應(yīng)用)和環(huán)境(意識、改善和環(huán)境保護(hù))。工業(yè)電力公司是一個生產(chǎn)較佳能源產(chǎn)品的大型系統(tǒng)(電力的生產(chǎn)、傳輸、分配和轉(zhuǎn)換同時進(jìn)行)。如何滿足電力負(fù)荷對有效能量轉(zhuǎn)換的需求，已成為電力系統(tǒng)日益關(guān)注的焦點。然而，在合理有效地利用電能方面，原有的傳統(tǒng)電能形式受到了極大的限制和制約(甚至浪費)。利用電力電子器件等高新技術(shù)，電能的高效利用已經(jīng)被越來越多的人所認(rèn)識。例如，充分利用頻率資源，通過變頻調(diào)速可以快速靈活地改變機(jī)械傳動改變旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(低效率)的原始過程，利用高頻啟動電路實現(xiàn)的開關(guān)DC電源可以大大降低鐵磁材料的消耗，顯著減小設(shè)備尺寸。然而，隨著電力電子器件的使用，諧波問題反過來降低了變換器電路的功率因數(shù)，導(dǎo)致效率降低，這與能量的合理有效利用背道而馳。因此，相應(yīng)的改進(jìn)措施必然成為另一個重要的研究課題。諧波問題伴隨著電力電子技術(shù)的出現(xiàn)。諧波的負(fù)面效應(yīng)或與經(jīng)典正弦波形相反的結(jié)果給電氣環(huán)境帶來了很大的公害，即諧波污染。這類似于 #p#分頁標(biāo)題#e#

諧波的污染和危害主要表現(xiàn)在對電力和信號的干擾和影響：(1)電力危害1。了解旋轉(zhuǎn)電機(jī)附加諧波損耗(換流干式變壓器過載)，使其發(fā)熱，縮短使用壽命；2.諧波諧振過電壓，造成電氣元件和設(shè)備的故障和損壞；3.使電能計量的原有定義和方法不適用。(2)信號干擾方面，1。信號系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，降低電話通信質(zhì)量；2.重要、靈敏的自動控制和保護(hù)裝置混亂；3.影響電源處理器的正常運行。二、諧波的綜合治理關(guān)于諧波綜合治理中“綜合”的內(nèi)涵，有人認(rèn)為是用廣泛而普遍的推廣來描述的；有人認(rèn)為用收藏和整合的方式來表達(dá)更實際；筆者認(rèn)為，綜合治理工作應(yīng)包括以下兩個方面：(1)加強(qiáng)科學(xué)合法管理。1)供電部門應(yīng)從全系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，采取有效措施加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督管理，審核擬投入負(fù)荷的諧波水平，要求用戶根據(jù)已投入運行的諧波源負(fù)荷安裝濾波裝置；2.法律和經(jīng)濟(jì)約束被廣泛采用，以改變污染在處理前的被動局面。比如電力設(shè)備和電子設(shè)備的技術(shù)規(guī)范要有諧波含量指標(biāo)，設(shè)備不能超過家規(guī)定的指標(biāo)，否則不得出廠，不得在電力系統(tǒng)中投入使用。(2)采取有效的技術(shù)措施1。抑制諧波電流的產(chǎn)生和注入；2.提高裝置的功率因數(shù)和無功補(bǔ)償；3.合理選擇過濾器的較佳安裝位置；4.消除電磁干擾和電磁兼容性；5.各種補(bǔ)償功能的綜合處理。從某種意義上說，電力諧波的防治主要針對供電系統(tǒng)的諧波源。然而，嚴(yán)重的諧波污染是多種諧波源共同作用的結(jié)果。因此，在用戶采取措施時，先先要解決諧波指標(biāo)分配和公共耦合點(PCC)濾波器安裝的問題。其次，要加強(qiáng)抑制效果的檢測和評估，實時準(zhǔn)確地監(jiān)控形狀質(zhì)量。這兩方面的實施都會遇到很大的困難和障礙。3.內(nèi)外諧波研究動態(tài)(1)共同關(guān)心的研究問題1。對變流器的諧波源進(jìn)行廣泛深入的研究。比如提出空間矢量法，使PWM變換器產(chǎn)生的諧波功率較?。会槍Ψ菍ΨQ觸發(fā)式交流/DC變換器，提出了一種采用離散小信號模型的分析方法。在測量技術(shù)中，提出了在不同諧波條件下提高諧波測量精度的方法。開發(fā)了多通道諧波

波分析儀和電能質(zhì)量測量儀等；3.在分析與計量技術(shù)方面，分析了電網(wǎng)參數(shù)變化、模型與元件參數(shù)的精度對諧波計算的影響；針對非穩(wěn)態(tài)波形畸變，尋求新的數(shù)學(xué)方法，如近年發(fā)展較快的小波變換等；4.在濾波技術(shù)上，提出了時域/頻域相結(jié)合的參數(shù)設(shè)計和修正方法；提出了無源與有源混合電路結(jié)構(gòu)，研制了具有綜合性能的新型電力線調(diào)節(jié)器。（二）目前更為關(guān)注的研究方向1.諧波抑措施，對無源與有源濾波混合方式的研究更加廣泛和深入。認(rèn)為混合濾波器可降低治理投資、改善傳統(tǒng)濾波器的技術(shù)性能，是未來抑制諧波的應(yīng)用方向；2.電能質(zhì)量測量和評估方法，對測量評估中涉及到一些電氣參數(shù)重新進(jìn)行了定義，繼續(xù)提出新的測量方法和測量手段；3.提出了混合牛頓-高斯算法，并采用并聯(lián)校正技術(shù)以改善收斂性；研究了電網(wǎng)中裝設(shè)濾波器的較佳安裝位置；4.對特殊非線性負(fù)載作了更深入的分析，如諧波對交流電機(jī)的噪聲與振動影響、提出了采用卡爾曼濾波預(yù)測電弧爐負(fù)載條件下的電壓閃變等問題。1996年召開的第7屆際會議的論文集，對廣義瞬時無功理論開展了更深入的探討；對有源電力濾波器及其優(yōu)化設(shè)置、電能質(zhì)量的小波變換分析方法和各種負(fù)荷對電能質(zhì)量的影響等問題進(jìn)行了廣泛研究。四、建議通過以上對電力系統(tǒng)諧波問題的認(rèn)識和分析，結(jié)合外諧波研究的發(fā)展動向，建議我應(yīng)在以下幾方面加強(qiáng)研究：(1)有源電力濾波器（APE）檢測算法和控制算法及新理論的研究；(2)電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償新型電力線調(diào)節(jié)器的研究；(3)有源與無源濾波混合方式的補(bǔ)償?shù)难芯浚?4)畸變波形的評估方法，諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化和實用化的研究；(5)各種電力電子裝置和非線性負(fù)載諧波特性的研究；(6)電能質(zhì)量監(jiān)測方法和儀器；(7)諧波潮流的計算和濾波器容量及較佳安裝位置的設(shè)定；(8)功率因數(shù)和波形校正器；(9)PWM技術(shù)在改善波形質(zhì)量上的作用；(10)功率半導(dǎo)體材料技術(shù)的研究和開發(fā)。五、結(jié)語現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有功率處理與控制的特點，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，由于大量電力電子裝置的投入，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問題，對諧波的綜合治理已迫在眉睫。諧波問題的研究涉及到許多相關(guān)學(xué)科，因此，必須努力加強(qiáng)在應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，跟蹤并趕超世界發(fā)達(dá)家在諧波治理方面的先進(jìn)技術(shù)，推動我電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進(jìn)程?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】[１]許克明，徐云，等.電力系統(tǒng)高次諧波[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1991.#p#分頁標(biāo)題#e#

來源：中電力諧波監(jiān)測及濾波工程技術(shù)網(wǎng)