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《电能质量分析》结课论文学院电气工程与信息工程学院专业电力系统及其自动化姓名学号异常高次谐波问题的分析和解决方案摘要本文首先介绍目前关于异常高次谐波问题所对电力网络造成的影响，并对其进行了具体的分析和解决改问题的的意义。接着介绍了变频器的原理和产生该谐波的机理。通过分析目前各种关于谐波抑制的方法，并对其进行了比较。最后本文选择了单调频滤波器和二阶高通无源滤波器组合的方法对高次异常谐波进行了抑制，通过测试数据的对比通过滤波器接入以后，电压总谐波畸变率降低到了3%以下，满足国家规定的限值，提高了热轧厂安全运行性能。关键词：电网电能质量高次谐波滤波1绪论1.1研究的背景和意义宝钢电网是上海市电网的一个重要组成部分，其生产负荷占上海市电网负荷总容量的10%，加之宝钢电网有冲击负荷和高次谐波发生源的特性以及负荷重要性等因素，决定了宝钢电网的电能质量将直接影响上海市电网及华东电网的电能质量的各项指标因此做好宝钢电网的电能质量监督和治理工作不仅对宝钢本身，而且对上级电网都具有重要的经济意义。宝钢电网具有冶金负荷的显著特点，即由于其轧机和电炉等大容量的非线性负荷，造成了大量的高次谐波发生源这些高次谐波发生源不但直接干扰临近负荷的供电质量而且直接造成宝钢电网与上海市电网公共连接点的电压总谐波畸变率等主要电能质量指标超过国家标准为此宝钢根据上述负荷特性并依照国标《电能质量公用电网谐波值表》（GB/T14549-93）制定了宝钢电网电压畸变率的限值表。电网标称电压（kV）电网总谐波几遍率%各次谐波电压含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.21102.01.60.8表1-1宝钢电网谐波电压（相电压）限值表表中谐波电压含有率指谐波电压（方均根值）占基波电压（方均根值）的百分比，电压总畸变率指综合电压占基波电压的百分比。宝钢热轧厂主要负荷为高压变频调速设备，变频器产生的高次谐波电流注入电网，使35kV供电母线谐波高达5%左右，主导谐波为29、31、35、37次谐波电压。谐波电压超过国家规定限值，致使自动控制设备损坏严重，影响了热轧厂安全经济运行。2变频器的原理及其谐波的危害2.1变频器的原理变频器是一种将电压频率固定的交流电转换为电压和频率可变的交流电的装置，主电路一般为交—直—交，三相桥式整流回路将380V/50Hz的工频交流电源整流成直流电压，通过电容滤波和大功率开关元件（IGBT,GTO等）逆变为频率可变的交流电压，原理如图2.1图2.1频器主电路从变频器的原理可知，由于逆变电路的开关特性，变频器对电源电路形成一个典型的非线性负载。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。变频器的输入侧和输出侧的电压电流中，都含有很多高次谐波成分。2.2谐波的产生及其危害2.2.1谐波的产生变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备，由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。通常，5次含有基波电流的40-65%，7次含有基波电流的14-41%，其他阶次的谐波含量基本都在10%以下。当然，由于直流电流的脉动、交流电压相间的不平衡、延迟角相间差异、换相电抗相间差异等原因，也可能产生其他阶次的非特征谐波。2.2.2.谐波的危害大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害：在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。电网中的谐波危害主要表现在以下几个方面。ⅰ增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。(1)对旋转电机的影响谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。(2)对变压器的影响谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。(3)对输电线路的影响由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。(4)对电力电容器的影响随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。ⅱ影响继电保护和自动装置的工作和可靠性谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧陆等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。ⅲ使测量和计量仪器的指示和计量不准确由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。ⅳ干扰通信系统的工作电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。ⅴ对用电设备的影响谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。3谐波抑制方法的介绍3．1的治理措施关于治理谐波的问题，通常通过抑制辐射干扰和供电系统干扰来实现，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段，比如使用无源滤波器或有源滤波器；增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；使用无谐波污染的绿色变频器等方法来抑制。使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。传统的方式多选用无源滤波器,无源滤波器出现最早，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。这种装置存在一些较难克服的缺点，主要是容易过载，在过载时会被烧损，可能造成功率因数过补偿而被罚款；另外，无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成份（如有的滤波器只能滤除三次谐波），如果过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波器，增加设备投资。国内外有多种有源滤波器，这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器(APF)理论在20世纪60年代形成，后来随着大中功率全控型半导体器件的成熟、脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱，以抵消原线路谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量。其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信号处理（DSP）技术控制快速绝缘双极晶体管（IGBT）来完成。目前，在具体的谐波治理方面，出现了无源滤波器（LC滤波器）与有源滤波器互补混合使用的方式，充分发挥LC滤波器结构简单、易实现、成本低，有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能。谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过。因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。使用无谐波污染的绿色变频器中绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正