電力諧波治理的幾種方法

目前常用的電力諧波治理的方法無外乎有三種，無源濾波、有源濾波、無功補償。下面就談談這二種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。6.1、無源諧波濾除裝置無源濾波器的主要是用電抗器與電容器構成，無源濾波裝置的成本較低，經濟，簡便，因此獲得廣泛應用。無源濾波器可以分為並聯濾波器與串聯濾波器。 6.1.1、無源並聯濾波器現有的諧波濾除裝置大都使用無源並聯濾波器，對每壹種頻率的諧波需要使用壹組濾波器，通常需要使用多組濾波器用以濾除不同頻率的諧波。多組濾波器的使用造成結構復雜，成本增高，並且由於通常的系統中含有無限多種頻率的諧波成分，因此無法將諧波全部濾除。不僅如此，由於並聯濾波器對諧波的阻抗很低，通常會使諧波源產生更大的諧波電流，諧振在不同頻率的濾波器還會互相幹擾，例如7次諧波濾波器就可能會放大5次諧波。因此，如果有人將並聯濾波器安裝前後的諧波情況做過對比，就會發現：雖然濾波器安裝以後影響系統的諧波電流減小，但是各濾波器中以及進入系統的諧波電流之和遠遠超過未安裝濾波器之前，諧波源產生的諧波電流也超過未安裝濾波器之前。從廣義的角度來講，頻率不等於工頻頻率的成分統統都是諧波。因此，工頻是單壹頻率，而諧波有無限多種頻率，可見諧波具有無限的復雜性，使用並聯濾波器的方法顯然無法對付無限頻率成分的諧波。 6.1.2、無源串聯濾波器由電感與電容串聯構成的LC串聯濾波器，具有壹個阻抗很低的串聯諧振點，如果我們構造壹個串聯諧振點為工頻頻率的串聯濾波器，並將其串聯在線路中，就可以濾掉所有的諧波。這就是本文介紹的串聯濾波器，串聯濾波器由電感和電容串聯而成，並且串聯連接在電源與負荷之間，因此串聯濾波器的“串聯”二字具有雙重意思：壹個意思表示電感與電容串聯，另壹個意思表示串聯在電路中使用。在三相電路中均接入串聯濾波器，由於串聯帶通濾波器對基波電流的阻抗很小，而對諧波電流的阻抗很大，於是只用壹組濾波器就可以濾除所有頻率的諧波。串聯濾波器對於諧振點頻率的電流具有極低的阻抗，對於偏離諧振點頻率的電流，則阻抗增大，偏離的越多，阻抗越大。對於比諧振點頻率高的電流成分，電感的阻抗為主，對於比諧振點頻率低的電流成分，電容的阻抗為主。由於諧波成分通常比基波頻率高，因此濾除諧波的工作主要由電感完成，電容的作用是抵消電感對工頻基波的阻抗。由於濾除諧波的作用主要由電感完成，因此電感量越大濾除諧波的效果越好。但是電感量越大則價格越高，損耗越大，因此從成本及損耗上去考慮問題則希望電感量越小越好。當電感的基波感抗小於負荷等效基波阻抗的50%時，不能實現良好的濾波效果（負荷等效基波阻抗就是負荷相電壓有效值與相電流有效值的比值）。因此電感的基波感抗必須大於負荷等效基波阻抗的50%。對於電容器的選擇與電感的選擇情況不同，電感的匝數可以隨意設計，而電容器的耐壓只有固定的若幹等級，不能隨意設計。比如在低壓配電系統中，就只有耐壓230V與400V的電力電容器可供選擇。由於電容器串聯在電路中，電容器中的電流即為負荷電流，當電容器的實際工作電壓等於其額定電壓時，電容器中流過的電流等於電容器的額定電流，電容器得到充分的利用，因此，當電容器的實際工作電壓等於其額定電壓時，電容器的成本最低。實際的串聯濾波器成本主要由電感與電容器的成本構成。串聯諧振的電感與電容對基波的阻抗相等並且電流相同，因此電感與電容的基波工作電壓相同。前面已經說明，當電容器的實際工作電壓等於其額定電壓時，電容器的成本最低，因此電感的實際工作電壓應該等於電容器的額定電壓。電容器的額定電壓等級大都與電網電壓相當，如果電感的實際工作電壓等於電容器的額定電壓，相當於電感阻抗與負荷阻抗相當，可以取得最好的性能價格比。在這個基礎上，如果提高電感的感抗，雖然濾波效果可以提高但提高不多，電感的成本增加，電容器需要串聯，成本急劇增加，性能價格比下降，因此電感的基波感抗大於負荷等效基波阻抗的200%沒有實際意義，如果降低電感的感抗，則濾波效果下降，電感的成本降低，電容器的容量增加因此成本增加，性能價格比也下降。為了獲得足夠的可靠性，電感與電容器的實際工作電壓應略低於電容器的額定電壓。當諧波電流由外網竄入而影響內網負荷設備的正常運行時，在電源與負荷設備之間接入串聯濾波器就可以阻擋諧波保證負荷設備的正常運行。當諧波由內網設備產生而影響系統時，產生諧波的設備即為諧波源，在諧波源與電源之間接入串聯濾波器就可以使諧波源產生的諧波電流大幅度減小。這裏需要註意：串聯濾波器使諧波源自身產生的諧波電流減小，相當於使汙染源產生的汙染減小，是治本的手段。而並聯濾波器並不能減小諧波源產生的諧波，而是為諧波電流提供壹個低阻抗的通道，避免諧波電流汙染系統，相當於先汙染再治理的方式，是治標的手段。不僅如此，由於並聯濾波器對諧波的阻抗很低，通常會使諧波源產生更大的諧波電流。當串聯濾波器連接在電源與諧波源之間時，諧波源的輸入電壓波形會發生嚴重畸變，正時這種電壓波形的畸變使得諧波源的電流接近正弦波。這種輸入電壓波形畸變可能會影響諧波源控制電路的正常運行，如果出現控制電路不能正常運行的情況，應該將控制電路的電源改接至串聯濾波器的前端。 6.2、有源諧波濾除裝置有源諧波濾除裝置是在無源濾波裝置的基礎上發展起來的。 6.2.1、有源濾波裝置的優點有源濾波裝置能做到適時補償，且不增加電網的容性元件，濾波效果好，在其額定的無功功率範圍內，濾波效果是百分之百的。 6.2.2、有源濾波裝置的缺點有源濾波裝置由於受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，瞬間電流有時極大，有源濾波裝置解決不了瞬間電流稍大電器電子元件就壞問題，且成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。對單臺的有源濾波裝置而言，成本極高，用戶接受不了，壹般不願意用有源濾波，對於諧波的含量，不必濾得太幹凈，只要不危害其他用電器也就可以了。 6.2.3、有源濾波裝置的原理有源濾波裝置主要是由電力電子元件組成電路，使之產生壹個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。 6.2.4、有源濾波裝置的適用場合有源濾波器主要的應用範圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。 6.3、無功補償人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻並不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這壹概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是壹致的。無功補償應包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。 6.3.1、諧波和無功功率的產生在工業和生活用電負載中，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所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗壹些無功功率。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、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯後於電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，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。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗壹定的無功功率。近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，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生的諧波汙染和功率因數滯後已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波汙染源。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，因而基波功率因數接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重汙染，也使得總的功率因數很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。 6.3.2、無功補償概述無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有壹相位差，這在相當寬的範圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有壹幅值差，這只能在很窄的範圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。 6.3.3、無功功率的影響 6.3.3.1、無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。 6.3.3.2、無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。 6.3.3.3、使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。 6.3.4、無功補償的作用無功補償的作用主要有以下幾點： 6.3.4.1、提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。 6.3.4.2、穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。6.3.4.3、在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功補償可以平衡三相的有功及無功負載。