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電力諧波分析設備中數據采集系統的設計分析

發布時間:2012-07-23 09:33所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

近年來,隨著各種電力電子設備的迅速普及以及大量非線性負載的廣泛使用,使得電力系統諧波對公用電網造成的污染日趨嚴重。電力諧波不僅引起了電能

  摘要:近年來,隨著各種電力電子設備的迅速普及以及大量非線性負載的廣泛使用,使得電力系統諧波對公用電網造成的污染日趨嚴重。電力諧波不僅引起了電能質量的下降,而且嚴重影響了電網的安全運行,因此對電網諧波的檢測與分析具有重要的現實意義。

  關鍵詞:電力諧波;電力電子設備;數據采集系統

  一、 電網諧波來源

  1、電源質量不高產生諧波:發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因,電源多少也會產生一些諧波,但一般來說很少。

  2、輸配電系統產生諧波:輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波電流也就越大,其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

  二、諧波研究的意義

  諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低,使電氣設備過熱、產生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作,使電能計量出現混亂。對于電力系統外部,諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

  三、電力系統中諧波的來源

  電力系統中的諧波來自電氣設備,也就是說來自發電設備和用電設備。由于發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波,因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發電機有兩大類:隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發電機,凸極機多用于水輪發電機。

  對于諧波分量而言,隱極機優于凸極機,但隨著科技進步,可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入,使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時,由于電機的磁飽和,會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時,也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網電壓偏移在±7%以下,所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小,比國家的考核標準低的多,因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。

  為此,影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備,也就是說非線性用電設備是主要的諧波源,非線性用電設備主要有以下四大類:

  1、電弧加熱設備:如電弧爐、電焊機等。

  2、交流整流的直流用電設備:如電力機車、電解、電鍍等。

  3、交流整流再逆變用電設備:如變頻調速、變頻空調等。

  4、開關電源設備:如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。

  這些用電設備都是非線性用電設備,但它們產生的諧波各不相同,具體舉例分析如下:

  電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧,才會有弧電流,并且滅弧電壓略低于起弧電壓,造成弧電流與弧電壓的非線性。

  此外,弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波,造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大,而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少,電焊機應用的同時率就更小了,對整個電網的影響比較小,但在當時已發現在燒電焊時,局部低壓電網的電壓和電流變化很大,有較大的諧波影響。

  交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由于整流設備有一個閥電壓,在小于閥電壓時,電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源,在整流設備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感),從而使閥電壓提高,加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流,在整流設備中應用了可控硅,這使得該類設備的諧波污染更嚴重,而且諧波的次數比較低。

  四、諧波現狀淺析

  通過對市場的常用電器的諧波狀況的測試,我們了解到目前我國內工業企業的諧波污染十分嚴重,尤其是早些年為了節能,引入的變頻電源和直流用電器的投入,其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%,這對于小功率的用戶而言,還不怎樣,但對于大功率的用戶來說,危害就很大了,對于中頻爐用戶,它用常規的無功補償就無法進行,有的用戶用常規的電容器無功補償,無法投入電容器,有的即便投入了,也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上,使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加,縮短了設備的使用壽命,多交了電費。

  五、目前國內對諧波污染的治理

  (一)諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。

  1、無源濾波裝置。主要采用LC回路,并聯于系統中,LC回路的設定,只能針對于某一次諧波,即針對于某一個頻率為低阻抗,使得該頻率流經為其設定的LC回路,達到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時,在基波對系統進行無功補償。這種濾波裝置簡單,成本低,但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。

  2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產生一個大小相等,但方向相反的諧波電流,用以抵銷網絡中的諧波電流,這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件,成本高,在其額定功率范圍內,原則上能全部濾除干凈。

  (二)諧波治理的方法

  前常用的諧波治理的方法無外乎有二種,無源濾波和有源濾波。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。

  1、無源諧波濾除裝置。無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來,組成LC串聯回路,并聯于系統中,LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上,例如5次、7次、11次諧振點上,達到濾除這3次諧波的目的。其成本低,但濾波效果不太好,如果諧振頻率設定得不好,會與系統產生諧振。現在,市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種,主要是因為低成本,用戶容易接受。雖濾波的效果較差,只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本,市場的需求也就大,一般而言,低壓0.4KV系統大多數采用無源濾波方式,高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業大多數是私有的,業主對諧波的危害認識不足,一般不愿意拿出大量的經費來治理諧波,而有的企業由于諧波的含量太大,常規的無功補償不能湊效,供電部門對無功的要求又是十分嚴格的,達不到就要罰款。因此,業主不得不要求濾波。因而,其市場的前景可觀,經濟效益也就可觀了。

  2、有源諧波濾除裝置。有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的,它的濾波效果好,在其額定的無功功率范圍內,濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路,使之產生一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。但由于受到電力電子元件耐壓,額定電流的發展限制,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。其主要的應用范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。對單臺的裝置而言,其利潤是可觀的,但用戶一般不愿意用有源濾波,對于諧波的含量,不必濾得太干凈,只要不危害其他用電器也就可以了。

  參考文獻

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