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電力電子技術(shù)與諧波抑制
電力電子技術(shù)與諧波抑制【1】
摘 要 本文闡述了電力電子技術(shù)的發(fā)展狀況，分析了諧波污染的危害以及抑制措施，并介紹了無功問題和諧波治理中一些新的技術(shù)。
關(guān)鍵詞 諧波抑制電力電子技術(shù)諧波治理
1 諧波的產(chǎn)生和影響
1.1 諧波與無功功率的產(chǎn)生
在用電負載中，阻感負載占了很大一部分，阻感負載要正常的工作就要吸收無功功率。
而這些裝置中交流側(cè)的電流會因為使用了相控方式而滯后于電壓，也就產(chǎn)生了大量的諧波電流。
即使一些交流側(cè)電壓電流基本相同的裝置，但是電流波形的畸變，也會產(chǎn)生諧波電流，導致無功功率被消耗。
純正弦交流電路中，定義了三種功率，它們的表達式為(P是有功功率，Q是無功功率，S是視在功率)：
P=UIcosφ
Q= UIsinφ
S=UI
三種功率滿足關(guān)系式：
S2=P2+Q2
有功功率P的表示交流平均功率;視在功率S在工程上表示為電氣設備功率中設計的極限值，它當中的額定電流由銅耗和導線的截面積決定;無功功率表示的則是含有儲能元件的電路中的一種功率互換的幅度，單相電路與三相電路之間又有一些不同。
在非正弦交流電路中，有功功率和視在功率可以分別表示成：
其中，Un和In分別代表基波和諧波中電壓、電流的分別的有效值。
按照純正弦電路的模式，可以給非正弦電路的無功功率做一個定義：
在這里，Q雖然反應能量的流動交換，但卻不體現(xiàn)其的消耗情況。
公用電網(wǎng)的電壓，波形穩(wěn)定，畸變很小，而電流的畸變可能卻很大，所以在研究過程中，可以將各個功率可以用以下公式表示：
其中，Qf和D分別表示基波電流和諧波電流產(chǎn)生的無功功率。
功率因素可以表示成：
在這個式子中，u=I1/I是叫波形畸變因數(shù)，cosφ1則被稱為位移因數(shù)或功率因數(shù)。
可以看出，功率因數(shù)在非正弦電流電路中除了與基波電流相關(guān)，還與諧波大小有關(guān)系。
所以，電路中的諧波，會使得無功功率增大，從而使功率因數(shù)變低，導致電氣容量的可利用率下滑，從而損害電網(wǎng)。
1.2 諧波對電網(wǎng)的影響
1)諧波的產(chǎn)生，會使電網(wǎng)設備產(chǎn)生附加的損耗，從而降低供配電以及用電設備的功率。
2)諧波引起的過電壓、過電流將會使變壓器產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，這樣一來，設備容易老化，使用壽命縮短而且還會損壞。
3)諧波會到這繼電保護裝置的誤操作，是一些測量儀表失效或測量不準確。
4)諧波會在公用電網(wǎng)中引發(fā)并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，極易造成安全隱患。
5)諧波的產(chǎn)生，對近處的通信裝置產(chǎn)生干擾，導致通信質(zhì)量下降，造成一些額外損失。
2 對諧波抑制技術(shù)的研究
各國在電力技術(shù)方面都制定了一些法規(guī)或措施來將諧波抑制控制在允許范圍，對諧波和諧波電流的合成方法進行了明確說明，為了滿足這些要求，要采用一些方法來抑制諧波以及對無功功率進行補償。
2.1 安裝諧波補償裝置
2.1.1 無源濾波器
無源電力濾波器(PPF)在諧波抑制中有很大優(yōu)勢，初期投資比較小，運行效率高，它主要利用電子元件的諧振特性，使得電感或電容在阻抗分流回路中形成低阻抗，但體積大，材料消耗多等，也是它的缺點。
2.1.2 有源濾波器
有源濾波器(APF)與無源濾波器(PPF)相比而言，它能在補償各次諧波的同時，還能調(diào)節(jié)三相不平衡電壓和抑制閃變;并且它能夠?qū)討B(tài)的諧波進行跟蹤補償，達到自適應的效果;濾波特性也不受頻率與阻抗影響。
因為優(yōu)勢明顯，APF技術(shù)也是治理電網(wǎng)污染中的一項關(guān)鍵技術(shù)，對它的研究比較廣泛。
根據(jù)使用場合分，可分為有源直流和有源交流兩類;根據(jù)逆變電路儲能元件來分，分為電流型與電壓型濾波裝置，如圖1所示：a)為電壓型。
b)為電流型。
電壓型效率高，可任意并聯(lián)擴容，適用于電網(wǎng)級的諧波補償，且技術(shù)相對成熟，目前使用廣泛;電流型結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，不適用大容量系統(tǒng)。
通過接入電網(wǎng)的方式來分，還可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型。
并聯(lián)型的APF，主要功能是消除負載引起的諧波電流，優(yōu)勢是可以多臺并聯(lián)使用，適用于多種容量場合;串聯(lián)型APF，是通過向電網(wǎng)中加入或減去一個瞬時電壓，使負載側(cè)電壓維持一個純正弦波，這種方式使串聯(lián)型在電壓敏感性負載中非常適合，但它負載電流過大，體積較大，沒有并聯(lián)型使用廣泛。
有源濾波器的控制策略是濾波技術(shù)中最重要的部分，包括直流側(cè)電容電壓控制、輸出電流跟蹤控制，一般來說又可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制，目前主要采用閉環(huán)控制技術(shù)，它補償效果較好。
參考文獻
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電力電子技術(shù)與諧波抑制、無功功率補償技術(shù)研究【2】
為了進一步提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保電力輸送的高效性，本文通過對配電系統(tǒng)中諧波和無功功率進行簡要分析，在結(jié)合無功功率與諧波對電力系統(tǒng)影響的基礎上，對電子電力技術(shù)以及無功功率補償和諧波抑制的現(xiàn)狀展開了詳細的論述和分析，從 【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 諧波抑制 無功功率
電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用不僅能夠提高系統(tǒng)的輸電能力，而且還可以在降低系統(tǒng)能耗的同時，改善輸電質(zhì)量，提高電力輸送的靈活性和穩(wěn)定性。
但在電力電子技術(shù)得以應用的同時，其相關(guān)設備也成為了電力系統(tǒng)運行當中的諧波源，并在運行過程中對系統(tǒng)的無功功率進行消耗，從而對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生嚴重影響。
因此，加強對諧波問題和無功功率損耗問題解決方法的研究力度，已成為電力生產(chǎn)、輸送領域需要面對和解決的主要問題。
1 配電系統(tǒng)中諧波與無功功率概述
對配電系統(tǒng)中的水泵異步電機和熒光燈與支撐計算機系統(tǒng)運行等負載進行分析可知，其必須消耗系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率方能實現(xiàn)正常工作。
但變頻器、整流器等電力電子裝置通常采用的是相控方式工作的，這種控制方式使得此類設備的交流側(cè)電壓常滯后于系統(tǒng)運行電壓，其不僅會消耗大量的無功功率，而且在運行的同時還會產(chǎn)生諧波電流，從而影響電力系統(tǒng)的正常運行。
給出有功功率P、無功功率Q和視在功率S三者的關(guān)系式：
S2=P2+Q2 (1)
其中，P為系統(tǒng)瞬時功率在單位周波中積分得平均值，即系統(tǒng)交流平均功率，S為各類電器設備的最大可利用容量，具體來說就是電壓U和電流I的有效值乘積，分別由設備的絕緣性和導線橫截面積決定;Q表示具備儲能性質(zhì)的電氣元件功率交換的幅度，通常單相電路功率互換大都發(fā)生在儲能設備和電源中，而三相電路功率互換則以在具有儲能性質(zhì)的三相設備中的往復流動為主，需要說明的是任意時刻內(nèi)，三相無功功率的和恒定為零。
2 無功功率和諧波對電力系統(tǒng)的影響
2.1 無功功率對電力系統(tǒng)的影響
(1)無功功率的加將會使得供電設備的視在功率S增加，同時，也會引發(fā)啟動設備、控制設備和儀表等測量設備的尺寸與規(guī)格擴增;
(2)無功功率的增加必將使得電力系統(tǒng)設備與線路損耗更加嚴重，縮短電氣設備壽命;
(3)無功功率增加將會引發(fā)變壓器與線路壓降的擴大，從而使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.2 諧波的主要危害
(1)變頻器和整流器等所產(chǎn)生的諧波將引起電氣設備附加諧波的損耗，同時，使得供配電設備的工作效率下降;
(2)諧波對各類電氣設備的影響也較為嚴重，例如，引起系統(tǒng)的過電流和過電壓，從而增加變壓器的負擔，引發(fā)電纜過熱和絕緣裝置老化;
(3)諧波的另一危害體現(xiàn)在對公用電網(wǎng)的影響上，由于電網(wǎng)中的電流大都是以正弦的形式存在的，而諧波的產(chǎn)生會導致非正弦電流電路的功率因數(shù)增加，從而在電場中產(chǎn)生非正弦電流，導致公用電網(wǎng)的局部諧波被進一步放大，甚至將會導致串、并聯(lián)諧振，增加電力設備的安全風險。
3 電子電力技術(shù)的應用現(xiàn)狀
由于電子電力技術(shù)在無功功率補償和諧波抑制方面具有較為鮮明的作用，故對電子電力技術(shù)的應用情況進行了解是極為必要的。
3.1 高壓直流輸電技術(shù)――HVDC
此項技術(shù)對容量較大且距離較遠的電力傳輸工作而言具有較強的優(yōu)越性。
由于在輸電過程中，基于HVDC技術(shù)輸電時產(chǎn)生的電能損耗要遠低于以傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)為主所產(chǎn)生的電能損耗，且HVDC在支持電力傳輸時所需的傳輸線纜更少，在減少占地的同時，也省去了傳統(tǒng)交直流輸電轉(zhuǎn)化所需的特殊設備，故而在遠距離傳輸時具備良好的經(jīng)濟性。
現(xiàn)階段，全球HVDC工程擁有50余個，技術(shù)支持的總設備容量達到了3.6×104MW，考慮到我國的地域遼闊且能源分布不均等情況，加大對HCDC技術(shù)的研發(fā)和投入力度極為必要。
3.2 靜止無功補償器――SVC
將以晶閘管為基礎元件的固態(tài)開關(guān)取代原有的機械開關(guān)，通過對抗電器與電容器進行控制，從而實現(xiàn)快速且頻繁地對輸電系統(tǒng)導納功能進行改變的目的。
通常，SVC由固定或可變電容器支路同系統(tǒng)中的可控支路并聯(lián)組成，分為TCR、TCT以及TSC和SSR四種類型，其中，TCR型SVC的反應速度最快，可達5-20ms，且不僅運行可靠，而且在分相調(diào)節(jié)和價格與使用范圍方面也具有較大的優(yōu)勢。
目前，全球已擁有220余套配置SVC的輸配電系統(tǒng)，總?cè)萘恳堰_到3.5×104var，隨著SVR優(yōu)勢的進一步普及，其在輸配電領域和工業(yè)用電方面必將得到全面的發(fā)展和推廣。
4 無功功率補償與諧波抑制現(xiàn)狀
電力系統(tǒng)中的無功功率補償方法主要包括了同步發(fā)電機、調(diào)相機、電動機的引用補償和并聯(lián)電容器與SVC補償，由于多數(shù)工程供電系統(tǒng)中，阻感性負載占據(jù)絕大部分，使得總等效負載呈現(xiàn)感性，故而可采用并聯(lián)電容器的方式對無功功率進行補償，從而提高功率因數(shù)。
根據(jù)電容器在系統(tǒng)中安裝位置的差異，其并聯(lián)補償方式主要包括以下幾種：
(1)將電容器組集中安置在電源母線上，從整體上提高變電裝置的功率因數(shù)，降低饋出線路的無功損耗。
(2)分區(qū)補償。
在功率因數(shù)較低區(qū)域的母線上分別裝置電容器組，以此來增強無功功率補償?shù)男Ч秉c是同集中補償相比，分區(qū)補償?shù)姆秶兴鶞p小。
(3)就地補償。
對異步電動機等感性設備進行功率補償時，將電容器組安置在負載設備周邊進行無功補償，在提高用電設備在供電回路功率因數(shù)的同時，改善用電設備的電壓質(zhì)量。
供電系統(tǒng)諧波抑制的方式主要有兩種，一種是利用無緣LC濾波器或是有源電力濾波器對系統(tǒng)運行過程中所產(chǎn)生的諧波進行過濾;另一種是對諧波源進行改造，例如將變流器的相數(shù)提高或更換具有較高功率因數(shù)的整流器等。
其中，LC無源濾波器抑制諧波的方法較為常見，采用電力電容器以及電抗器電阻對具備某一特征的次諧波進行抑制，在次諧波頻率下濾波器的逐鹿進行串聯(lián)諧振，同時，寫成具有較低阻抗的通路，從而使次諧波電流盡可能少地流入到電網(wǎng)當中，最大限度地降低諧波對電網(wǎng)的影響。
5 結(jié)論
本文通過對配電系統(tǒng)中的諧波和無功功率產(chǎn)生的原因進行分析，在結(jié)合無功功率以及諧波對電力系統(tǒng)影響的基礎上，從電子電力技術(shù)應用現(xiàn)狀的角度出發(fā)，提出了無功功率補償和諧波抑制的相關(guān)方法。
可見，未來加強對電子電力技術(shù)以及無功功率補償與諧波抑制方法的研究和應用力度，對于促進電力產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
參考文獻
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電力系統(tǒng)中電子技術(shù)在諧波治理中的應用【3】
摘 要：隨著時代的突飛猛進，我國科技的發(fā)展也進入到了新的階段，特別是針對電力行業(yè)來說，作為我國主要支柱行業(yè)之一，信息化時代背景條件下，也需要進行不斷的創(chuàng)新和思考。
就目前而言，電力行業(yè)已經(jīng)成為了一個最基礎的行業(yè)，不但為我國其他行業(yè)正常的生產(chǎn)和發(fā)展帶來了重要保障。
同時也是我國居民正常生活的基礎。
但是由于電力行業(yè)的重要性，所以對于行業(yè)本身也具有更加嚴謹?shù)囊�，特別是對電力輸送時出現(xiàn)的問題進行相應的解決，所以，在電力系統(tǒng)中研究電子技術(shù)在諧波治理中的應用，將對我國電力行業(yè)的發(fā)展提供重要的參考。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)中的電子技術(shù) 諧波治理方法 分析和運用
諧波是一種正弦波，其特點主要是頻率始終在基波的整數(shù)倍，而當電路中有非線性元器件或者負載時，就會導致電網(wǎng)內(nèi)部再次產(chǎn)生多個與基波呈整數(shù)或者分數(shù)倍的正弦波，這些波也就說電網(wǎng)諧波，特別是一些高次諧波，很容易導致電網(wǎng)不穩(wěn)定，也會導致諸多安全問題的發(fā)生，于此同時，諧波污染已經(jīng)被電子行業(yè)列為主要的發(fā)展問題之一。
而作者將通過該文，就電力系統(tǒng)中電子技術(shù)在諧波治理中的應用進行分析和探討。
1 諧波產(chǎn)生的原因
對于電力系統(tǒng)而言，諧波的產(chǎn)生是一個無法消除的過程，按照諧波產(chǎn)生的元器件不同，主要可以將諧波的來源歸結(jié)為兩大類：(1)電源產(chǎn)生諧波，這種諧波主要是由于發(fā)電機電壓器等工作電壓高于額定電壓，且百分比要大于10%，同時加上磁飽和，引發(fā)3次諧波出現(xiàn)快速增加;(2)由于用戶采用的電器多為非線性電器，例如電焊裝置以及電弧爐等等，同時還有一些電鍍直流裝置;變頻冰箱空調(diào)等特殊裝置，導致交流整流發(fā)生逆變。
2 電網(wǎng)諧波的害處
電網(wǎng)諧波的影響相對廣泛，一般來說其危害可以按照類型分為四類：(1)諧波會對供電網(wǎng)絡產(chǎn)生威脅，特別是相關(guān)測量時，通常會采用電磁繼電器，但是諧波會引發(fā)測量元件發(fā)生誤動，最后導致配電系統(tǒng)安全性難以得到保障;(2)諧波會對設備造成損毀，一般在電網(wǎng)中主要采用的金屬以銅鐵居多，而不同的諧波則會導致這些金屬出現(xiàn)磨損，直接導致變壓器出現(xiàn)異常，另外諧波也會導致電容器消耗過多，最終發(fā)生過早老化報廢;(3)諧波會對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，從而導致通訊的質(zhì)量下降;(4)諧波對于人體的危害也是極其巨大的，其主要危害就是同時產(chǎn)生的噪音會讓人的正常生活受到影響，同時會導致人的正常細胞受到刺激而發(fā)生異變。
3 電子技術(shù)分類
對于目前我國電力系統(tǒng)來說，主要用到的多為半導體元器件，所以電子技術(shù)的類型也可以分為以下幾類，即高壓直流輸電技術(shù)，無功補償技術(shù)，交流輸電技術(shù)，用戶電力技術(shù)以及變頻技術(shù)。
就高壓直流輸電技術(shù)來說，主要被廣泛運用到電力輸送以及工程建設方面;無功補償技術(shù)，是針對對于輸電系統(tǒng)的無功功率進行相應的功率補償，保證以滿足輸送的需求;交流輸電技術(shù)則廣泛運用于晶閘管控制的移相器、相間功率控制器等等元器件的制造中;而用戶電力技術(shù)的目標是實現(xiàn)輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提升供電的效率，運用比較常見的元器件有：動態(tài)電壓恢復器(DVR)，固態(tài)斷路器(SSCB)等等;最后是變頻技術(shù)，變頻技術(shù)目前運用比較常見的是空調(diào)冰箱等電器，當然還會運用在發(fā)電廠的風機以及抽水機，主要是通過頻率調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)能效果[1]。
4 電子技術(shù)在諧波治理中的運用
4.1 有源濾波器的實現(xiàn)
有源濾波器(又被稱為APF)，故名思意，其工作原理與電壓有直接的關(guān)系。
有源濾波器的在工作時，通常會首先對補償目標進行電流以及電壓的數(shù)據(jù)測量，同時對諧波以及無功功率進行計算，最后算出補償電流的大小，并且保證其余諧波以及無功電流相消除，最后達到獲得電源電流的目標。
而在有源濾波器的研究歷程中，大功率開關(guān)元器件的雛形以及瞬間無功理論的提出，都為其發(fā)展提供了寶貴的數(shù)據(jù)。
但是有源濾波器的開發(fā)還是需要太大的成本，而且容量較低，所以目前對于有源濾波器的研究暫時停滯，有的研究則考慮將有源濾波器與無源濾波器進行結(jié)合，即研究混合濾波裝置的工作職能，這種方法可以有效降低因串聯(lián)導致的諧振現(xiàn)象，對于有源濾波器的容量要求也沒有太高，利于實現(xiàn)[2]。
4.2 有源功率因素校正設備實現(xiàn)
將整流器的電流通過正弦電壓處理，就可以得到功率因素的校正。
但是需要建立在一定的電路條件下，即需要一個無源或者有源電路作為基礎，前者設計難度相對較小，僅需要控制電流的諧波，即設定電抗性負載;而后者則需要專有的控制系統(tǒng)，利用開關(guān)讓輸入電流轉(zhuǎn)化為正弦電流，以免諧波發(fā)生干擾，也是運用較為廣泛的一種方式。
有源功率因素校正電路一般會采用升壓斬波電路或者Buck-Boost型電路，即根據(jù)電感電流進行分析，將有源因數(shù)校正設備分為連續(xù)導通以及間斷導通兩種情況。
而目前有源功率因數(shù)校正方法的研究已經(jīng)完成了小功率可控電源的研發(fā)，而三相有源功率因素校正技術(shù)則還在研究發(fā)展階段，尚未獲得廣泛運用，不過已經(jīng)是目前世界電子科研主要的研究目標之一[3]。
5 結(jié)語
信息化是目前新時代的特征，而信息技術(shù)作為時代的特定產(chǎn)物，也被廣泛運用到現(xiàn)在科技中，特別是一些電子通信行業(yè)，甚至包含重要的電力行業(yè)。
就電力行業(yè)而言，其主要的核心在于測量以及調(diào)整，特別是對于電力行業(yè)的輸送電網(wǎng)來說，由于對民眾的日常生活以及工業(yè)產(chǎn)生發(fā)展具有重要的作用，所以其可靠性也是極其重要的。
電網(wǎng)諧波是電力系統(tǒng)中長久以來存在的問題，無論是在電力輸送的效率、質(zhì)量、電網(wǎng)設備的安全以及居民身體健康方面，都存在較大的威脅，而電子技術(shù)則在此刻體現(xiàn)出其重要的價值，通過相關(guān)的電子技術(shù)，可以準確找出諧波的產(chǎn)生以及電網(wǎng)的缺陷，從而通過先進的技術(shù)手段進行治理，降低和減輕諧波對電力系統(tǒng)造成的影響，提升輸電效率，保證工業(yè)正常的生產(chǎn)流程和民眾正常的生活。
參考文獻
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