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        新聞資訊

        對電力系統無功補償及諧波抑制策略的研究

        發布時間:2021-01-26    訪問:460

        大容量變流設備的應用越來越廣泛,電力系統中的電壓與電流波形發生畸變,不僅降低了電能質量,而且影響到電力系統的正常運行,因此針對電力系統的諧波治理與無功補償技術,不僅可以提升供電設備運行的穩定性與工作效率,而且可以在保證供電質量的前提下降低供電成本,所以有著重要的現實意義。本文就針對電力系統的無功補償技術與諧波抑制策略進行分析。

        1 諧波的產生與危害

        1.1 諧波的產生

        具體而言,諧波是由諧波電流源產生的。在正弦電壓施加于非線性負荷條件下,電流就會變換為非正弦波,而負荷連接電網,相應的電網中就會注入非正弦電流,在電網阻抗上產生壓降,最終形成非正弦波,受其影響,電壓與電流的波形均會產生畸變。由此可知,電網的諧波源主要來自于非線性負荷。在電力系統中,諧波源的種類大概可以分為三種,一種為半導體非線性負載,包括各種整流設備、交直流換流設備、相控調制變頻器、其它節能電力電子設備與控制設備等;另外一種為磁飽和非線性負載,主要來自于變壓器、發電機以及電抗器等設備;還有一種為電弧非線性負載,主要來自于各種氣體放電燈、冶金電弧爐以及直流電弧焊等。之前由于電力電子設備的應用不如現在這么廣泛,因此磁飽和非線性負載以及電弧非線性負載為主要的諧波源,但是隨著電子電力設行的應用越來越廣泛,半導體非線性負載逐漸成為最主要的諧波來源。

        1.2 產生諧波的主要原因與諧波危害

        多種因素均可導致諧波的產生,不過常見的有兩種,即由于非線性負荷產生的諧波,另外一種則是由逆變負荷產生的諧波,前一種負荷包括可控硅整流器以及開關電源等,這種負荷所產生的諧波頻率通常是工頻頻率的整數倍,比如三相六脈波整流器主要產生5次、7次諧波,三相十二脈波整流器主要產生11次與13次諧波;而后一種負荷除了產生整數次諧波外,還會產生分數諧波,其頻率為逆變頻率的兩倍,比如中頻爐采用三相六脈波整流器,其工作頻率為820Hz,不僅會產生5次、7次諧波,而且還會產生分數諧波,其頻率為1440Hz。

        在電力系統日常運營過程中,發電機與變壓器均會產生諧波,所以可以說有電網就有諧波,但是隨著電力系統的不斷發展,越來越多的用電設備均會產生大量的諧波,而且電網中的并聯電容器會進一步將諧波放大,加重了諧波的危害。具體而言,諧波的危害主要體現在以下幾個方面:第一,對變壓器造成損害,諧波電流會增加變壓器的銅損、漏磁損以及鐵損等,而且會導致變壓器工作噪音與溫度升高;第二,諧波電流會導致電纜過熱過載,對導體絕緣體產生損害,并且高頻諧波可能會導致集膚效應,從而造成電纜額定載流降低,增加銅損;第三,諧波會對表計的計量精度產生不利影響,這是因為諧波源會吸收電網中一部分電能,將其轉換為諧波發送致電網中,此時電能表會誤認為該諧波能量為發電量加以計算,最終出現計量誤差;此外,如果高次諧波比較嚴重,會對電能表的計量精度產生嚴重影響,出現無原因丟電問題,此時機械式電能表就會因為高頻率諧波產生的高頻渦流阻力而變慢;第四,諧波會對精密電子設備、儀器產生干擾,嚴重的話能會損毀設備;第五,諧波會增加電網中所有連接設備的損耗,增加溫度,尤其是有些設備包含電容器,影響更為明顯,有可能會造成電容器爆炸事故或者損壞設備等問題;第六,受諧波電流的影響會出現電壓畸變的情況,電壓過零點漂移,從而線電壓之間的位置點發生改變,最終導致控制系統判斷失誤。

        2 電力系統中諧波的抑制措施

        電力系統中抑制諧波的主要措施包括以下幾種:

        2.1 增加換流裝置系數

        電力系統中最主要的諧波源來自于換流設備,根據相關理論分析可知,如果換流設備脈動數有所增加,則環流設備在直流側與交流側所產生的特征諧波次數或以將較大幅值的低頻項有效清除,從而大幅降低諧波電流的有效值。

        2.2 濾波法

        為了從根本上實現對電氣設備的保護,將諧波對電力系統的影響降低最小程度,就要從源頭上控制諧波的產生,防止其諧波源產生諧波電流,從而降低諧波的電壓??梢酝ㄟ^主動防御與被動防御兩種辦法來防止諧波所帶來的危害,所謂被動防御是指在出現諧波后采取無緣濾波法將諧波的危害降至最低;而主動防御則是采取有源濾波法,其主要原理是通過關斷電子器件所產生和復合電流中的諧波電流分量相位相反、大小相等的電流,從而消除諧波。

        現階段大多數電氣設備中所采用的均是LC無源濾波器,其可以有效的吸收高次諧波,而且可以對負載功率的因素進行明顯改善,不過LC無源濾波器也存在以下幾個方面的不足:首先,受調諧偏移及存在殘壓電阻等問題的影響,調諧濾波器不可能實現阻抗為零,一旦其阻抗發生變化就會對濾波的效果產生影響,并且濾波器還有可能會出現過負荷的問題;其次,隨著電源側的諧波增加發生源,濾波器很可能發生過載現象;此外,如果LC濾波電路過多,則很難實現高次諧波電流的平衡流入。

        相比這下,由于在有源濾波法中,會關斷電力電子器件,其所產生的反諧波電流可以將諧波電流所帶來的影響抵消掉,因此可以彌補上述無源濾波法的不足之處,具體而言,有源濾波法的主要優勢體現在以下幾個方面:首先,系統抗阻等因素不會對高次諧波電流源產生影響;其次,不會出現共振的問題,因此系統結構不會影響到補充效果;再次,相對于無源濾波法而言,有源濾波法只需一臺關斷電力電子設備即可實現各諧波的補償,其工作原理方面占據優勢;此外,由于關電子設備自身可以限制輸出,因此即使高次諧波量有所增加,元件也不會發生過載問題。

        3 無功補償技術分析

        3.1 補償方式

        在無功補償技術中,常用的補償方式包括以下幾種:第一,動態補償與靜態補償相結合,由于電力系統中負載的類型越來越復雜,相應的電網對無功補償的要求也越來越高,如果僅采用靜態補償的方法很難滿足電網的運行需求,因此需要與動態補償技術相結合,以適應負載的變化。第二,分相補償與三相共補相結合。電力系統中諸如照明設備以及電子設備等新設備均為兩相供電,因此電網中三相不平衡的問題越來越突出,僅通過三相共補同投同切等措施無法解決該問題,而全部采用單相補償則會增加成本,因此必須根據負載的實際情況,選擇更為經濟的共分結合的方法。第三,快速跟蹤補償與穩態補償相結合,可以說該無功補償方式為未來發展的大趨勢,主要對象針對一些大型的鋼鐵企業,其波動大、負載變化速度快,并且用電量大、工藝復雜,因此可以將無功補償的作用充分發揮出來。采用這種補償方法,不僅可以降低損耗、節約能源、提高度功率,而且可以將設備的工作容量充分利用起來,提高設備的工作效率,從而提高質量與產量。

        3.2 采用智能型無功控制

        可以利用電流信號與三相電壓對電力系統中無功補償的變化進行全程跟蹤,其中無功功率為物理量,投切時采用用戶設定好的功率因數為參考限量,基于模糊控制理論來選擇電容器的組合,智能投切的主要對象是針對星一角的結合情況。需要注意的是,必須根據配電系統的每相無功功率智能選擇電容器的組合,在投入電網過程中要遵循取平補齊的原則,從而實現對電容器的智能控制,提高無功補償的精度水平。

        3.3 集成綜合配電監測功能

        相對而言,該功能是一套比較完整的運行參數測量機構,其具備通信、記憶以及測量功能,對于低壓配電網而言,可以利用該方法考克單元線損。其可以為工作人員提供及時的、實時的運行數據,保證電網運行的經濟性與安全性,因此是配電網自動化系統建設過程中必不可少的基礎組成部分。

        3.4 集成電壓監測與在線諧波監測

        集成電壓監測是參照按壓監測儀的標準對數據進行統計與采樣,用戶可以以此為根據考核電壓的合格率;而對于集成在線諧波監測而言,其中央處理器可以采用DSP,利用FFT快速傅里葉算法,將相關配電參數精確的測量并計算出來,包括無功電量、有功電量、功率因數以及電流、電壓等,并能具備諧波的監測功能。

        3.5 通信與模塊式結構

        一些終端會將設備的持續性使用等因素考慮進來,因此其接口根據實際需要采用標準的RS485、RS232,實現與配電網自動化系統的有機結合。在模塊化設計結構中,其將保護集成、投切開關、電容器等集成于同一個單元中,形成多種容量規格的單元,其應用范圍相對較廣。模塊式結構最大的特點是實現功能與結構的模塊化管理,不僅可以滿足不同用戶的不同需求,而且現場的調修與維護也非常方便。

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