一、1. 諧波
“諧波”一詞起源于聲學(xué)。電力系統(tǒng)由于諧波問題造成了電壓、電流波形的畸變。由于高壓直流輸電技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛,諧波所造成的危害也日趨嚴重。不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
諧波研究的意義,是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低,使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設(shè)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(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部,諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。
2. 諧波抑制
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(shè)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,使不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控制為1,這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。
裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)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(jié)構(gòu)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(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響,容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,只能補償固定頻率的諧波,補償效果也不甚理想。
二、諧波和無功功率的產(chǎn)生
在工業(yè)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(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)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(zhì)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(diào)整電路和周波變流器,在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓,要消耗大量的無功功率。另外,這些裝置也會產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)生大量的諧波電流,因此也消耗一定的無功功率。
隨著電力電子裝置的應(yīng)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(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴重的諧波污染源。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(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大,給電網(wǎng)造成嚴重污染,也使得總的功率因數(shù)很低。另外,采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。
諧波的危害
理想電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對電網(wǎng)是一種污染,使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,諧波對電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。
(1)諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)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(fā)生火災(zāi)。
(2)諧波影響各種電氣設(shè)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(chǎn)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(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短,以至損壞。
(3)諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,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(dǎo)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(zhǔn)確。
(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致信號丟失,使通信系統(tǒng)無法正常工作。