控制與諧波相關(guān)的問題的最早方法涉及使用單調(diào)諧濾波器，該濾波器為諧波電流提供較低的阻抗路徑。有趣的是，在沒有諧波濾波器的行業(yè)中，在兆伏安范圍內(nèi)找到產(chǎn)生諧波的負(fù)載并不困難。工業(yè)部門的大型諧波生產(chǎn)商可能仍采用傳統(tǒng)的諧波濾波方法來控制超出系統(tǒng)計(jì)量點(diǎn)的干擾，這些干擾會(huì)影響敏感過程和設(shè)備。這些過濾方法對于住宅和商業(yè)設(shè)施來說并不具有成本效益。本文探討了可用于控制諧波和減少電力系統(tǒng)中流動(dòng)信號引起的失真諧波的技術(shù)。

1. 網(wǎng)絡(luò)重新配置

網(wǎng)絡(luò)重新配置是有助于減少諧波的措施之一。此過程首先確定對電力系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波電流的用戶或扇區(qū)，并根據(jù)頻率成分的特征對其進(jìn)行分類。

假設(shè)使用諧波濾波器不是一個(gè)考慮因素。在這種情況下，在饋線上混合線性和非線性電負(fù)載可以減少諧波失真，因?yàn)榫€性負(fù)載作為控制諧振器平行峰值的自然衰減器。

網(wǎng)絡(luò)重新配置的首要目標(biāo)包括：

最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)功率損耗

最大限度地減少切換或故障期間的網(wǎng)絡(luò)電壓驟降

最小化節(jié)點(diǎn)電壓諧波失真

最大限度地減少系統(tǒng)不平衡

在網(wǎng)絡(luò)重新配置期間采用分支交換技術(shù)。這是一種在電網(wǎng)中引入未通電的扎帶分支的設(shè)計(jì)技術(shù)。下面的圖 1 對此進(jìn)行了演示。

圖1.

配置圖之前和之后。圖片由Simon Mugo提供

節(jié)點(diǎn) n 的電源之前流經(jīng)路徑 pqr，配置后，電源路徑更改為路徑 pst。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是徑向配置的自動(dòng)維護(hù)，無需計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)目的。

2. 提高供電模式剛度

增加當(dāng)前短路電流和額定負(fù)載電流之間的比率意味著更實(shí)質(zhì)性的供電節(jié)點(diǎn)。當(dāng)電力供應(yīng)商增加變電站的規(guī)模時(shí)，這很常見。當(dāng)工業(yè)客戶等大型電力用戶在主電源總線上添加其他支持性熱電聯(lián)產(chǎn)以改善運(yùn)營期間的峰值需求時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。

短路和負(fù)載電流之間的比率為我們提供了電力系統(tǒng)的源剛度。剛性的交流電源增加了短路電流的可能性。

使用強(qiáng)大的電源節(jié)點(diǎn)，您可以更好地吸收網(wǎng)絡(luò)中存在的瞬態(tài)干擾，并幫助衰減變壓器的大浪涌電流、電纜通電和大電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)的影響。

對于高短路電流，預(yù)計(jì)會(huì)有低阻抗源，這反過來又形成變壓器尺寸的反比函數(shù)。我們可以通過計(jì)算舊的磨損變壓器額定MVA1被新的變壓器額定MVA2替換時(shí)的阻抗變化來說明這一點(diǎn)。

通過使用變壓器阻抗的基本表達(dá)式

我們最終得到

假設(shè)方程中的所有參數(shù)都相同，則將上述公式簡化為：

這個(gè)等式給出了新變壓器與舊變壓器如何變化的阻抗比。例如，60 MVA 變壓器提供的阻抗是 30 MVA 變壓器的兩倍，短路增加一倍，其中假設(shè)兩個(gè)變壓器遇到相同的漏電流問題。

在諧波頻率下，電力系統(tǒng)的電容和電感阻抗根據(jù)頻率函數(shù)而變化。

用于感性負(fù)載

XLh=hωL???=???

對于容性負(fù)載

XCh=1hωC???=1???

電力系統(tǒng)的電感元件主要受較硬電源的影響。諧波電流產(chǎn)生的壓降受系統(tǒng)感抗的影響，感抗由饋線和變電站的組件組成。

對于短饋線，主要成分是源阻抗。在這種情況下，預(yù)計(jì)諧波電流會(huì)到達(dá)系統(tǒng)的變電站，從而產(chǎn)生諧波失真。對于較硬的系統(tǒng)，諧波失真較小。

3. 增加多脈沖轉(zhuǎn)換器以消除諧波

在這里，我們可以采用半波和全波整流器。對于半波整流，它產(chǎn)生使變壓器飽和的直流輸出，這可以通過使用全波整流來限制。

六脈沖單元是最基本的可用多相轉(zhuǎn)換器。12 脈沖單元用于消除 5 次低階諧波千和 7千.

下面的圖2是脈沖轉(zhuǎn)換器連接。

圖2.

脈沖轉(zhuǎn)換器連接。圖片由Simon Mugo提供

如果要減少其他諧波電流，請執(zhí)行相位乘法。例如，一個(gè)24脈沖單元由四個(gè)-六個(gè)脈沖全波整流器橋的組合構(gòu)成，與其他整流單元相比，每個(gè)橋具有15度的相移。這是通過使用移相變壓器實(shí)現(xiàn)的，該變壓器將連接成鋸齒形的附加繞組分開。請參見下面的圖 3。

圖3.

脈沖轉(zhuǎn)換器連接。圖片由Simon Mugo提供

請參閱以下條件，以消除使用六脈沖整流器的諧波：

連接中使用的變壓器具有相同的泄漏阻抗和變比。

負(fù)載在可用轉(zhuǎn)換器之間分成相等的部分

所有轉(zhuǎn)換器都具有相似的發(fā)射角度

變壓器之間的相位差為60/N度，其中N是節(jié)數(shù)。

特性諧波降低方程可以寫為

h=kq±1?=??±1

哪里

h 是系統(tǒng)諧波階數(shù)，N 是六脈沖整流器的可用數(shù)量，q 是 6×N，K 是 1，2，3,.....,n 給出的整數(shù)

4. 串聯(lián)電抗器

在工業(yè)中，串聯(lián)電抗器長期以來一直被納入短路控制。它們用于冶煉工業(yè)、變電站和鋼鐵廠。有時(shí)在工業(yè)中，串聯(lián)電抗器非常適合用于衰減諧波。

非線性電流波形具有諧波失真。引入線路電抗器可限制進(jìn)入驅(qū)動(dòng)整流器的浪涌電流數(shù)量。這降低了峰值電流，使波形四舍五入，并最大限度地減少了諧波失真。電流失真降低到約30%。如果電流失真嚴(yán)重，也會(huì)使系統(tǒng)供電電壓失真。如果系統(tǒng)消耗過多的諧波電流，則會(huì)導(dǎo)致電壓波形頂部平坦。引入電抗器是控制電流組成的一種方法，這樣，電壓上發(fā)生的諧波失真就會(huì)減少。請參見下面的圖 4。

圖4.

串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)。圖片由

MathWorks

提供

5. Phase Balancing

單相電負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致三相導(dǎo)體中的電流不平衡，從而產(chǎn)生不同的電壓下降，從而引起不平衡的相間電壓。

這種不平衡的相間電壓對配電饋線是有害的，特別是當(dāng)雜散電壓補(bǔ)償措施不佳時(shí)。一個(gè)完美平衡的系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，但總是盡力平衡相位，從而減少諧波。

相電壓不平衡

為了最有效地確定不平衡電壓，您需要知道如何計(jì)算它。

首先使用以下公式計(jì)算偏差：

如果系統(tǒng)在不平衡階段運(yùn)行，將發(fā)生以下情況：

由于線路電流不平衡，電纜過熱。

對微型斷路器、微型斷路器、保險(xiǎn)絲等的解除保護(hù)。

地下電纜故障。

相位平衡導(dǎo)致負(fù)載在系統(tǒng)的三相電源線上均勻分布。如果系統(tǒng)不平衡，則饋線電容器將錯(cuò)誤地用于系統(tǒng)未來的負(fù)載需求。通過良好的電流平衡，將消除過載線路或相位上的額外電流應(yīng)力，并放置在欠載線路或相位上，從而為未來需求創(chuàng)造空間。相位平衡還提高了系統(tǒng)的饋線容量和電壓質(zhì)量，并減少了損耗。參見下面的圖5，這是基本平衡三相電源的示意圖。

圖5.

基本平衡三相電源。圖片由Simon Mugo提供

6. 負(fù)載分組

太多的電網(wǎng)可能帶有包含不同光譜內(nèi)容的非線性負(fù)載。將這些負(fù)載分組到由相似諧波頻譜組成的類別中有助于優(yōu)化諧波濾波器的位置、安裝、尺寸和選擇。

電路網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)電氣電阻負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載，它們都具有不同水平的諧波引入電力系統(tǒng)。所有這些負(fù)載都用于各個(gè)部門。在家庭或住宅負(fù)載中，消耗適中的功率。商業(yè)、工業(yè)和市政負(fù)荷是利用電力的其他領(lǐng)域。所有這些區(qū)域都消耗不同諧波的功率，可以對其進(jìn)行分類以幫助減少諧波從一個(gè)扇區(qū)傳播到另一個(gè)扇區(qū)的方式。

我們有不同的負(fù)載消耗不同類型的電壓。有些消耗208 V，有些消耗120 V，有些消耗240 V，依此類推，這些負(fù)載必須很好地分組。參見下面圖6中的電壓消耗系統(tǒng)，其具有不同的功率負(fù)載。

圖6. 120/240 V，3 相，4 線，三角形開路系統(tǒng)。圖片由Simon Mugo提供

減少諧波的要點(diǎn)

本文介紹了工程師可以用來最小化電力系統(tǒng)中諧波的六種技術(shù)。它們包括：

網(wǎng)絡(luò)重新配置有助于減少諧波，這是根據(jù)產(chǎn)生大諧波的類型對產(chǎn)生大諧波的用戶進(jìn)行識別和分類的過程。

電源模式剛度的增加意味著更堅(jiān)固的電源節(jié)點(diǎn)，即短路和負(fù)載電流之間的比率。交流電越硬意味著短路的可能性越高。

通過使用半波和全波轉(zhuǎn)換器添加多脈沖轉(zhuǎn)換器以消除諧波，有助于消除諧波。這里的六脈沖是最常用的多相轉(zhuǎn)換器。

串聯(lián)反應(yīng)器可最大限度地減少冶煉廠和鋼鐵廠的諧波。

相位平衡是另一種適用于最小化諧波的方法。請記住，不平衡相位是諧波的來源。

荷載分組是將相似的荷載放在一起的地方。電氣系統(tǒng)中提供具有不同頻譜內(nèi)容的非線性負(fù)載，對這些負(fù)載進(jìn)行分組有助于選擇諧波濾波器并調(diào)整其大小。