谐波治理方法的总结和发展

谐波治理方法的总结和发展
　在电力系统中，供电电压波型是中心对称的，因此基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比较高，而且输电线路有一定电感量，对地又有一定电容量，相间及线间也有一定电容量。因此，高次谐波在线路传输过程中衰减比较快，同时高次谐波在电网中所占的比重也不大，故在电力行业中不作为主要整治对象。
　在10kV配电系统中，配变多采用Y/Y0接线，Y0（400V）侧由于有非线性用电设备，会产生三、五、七……次谐波，五、七次谐波可以用串联LC滤波器进行治理，而对三次谐波往往采用并联谐振使三次谐波在主变一次侧和二次侧之间进线隔离，其原理如下：

　当L、C并联谐振在三次谐波频率时，三次谐波电流流不过主变二次侧线圈，从而使主变一次侧感应不出三次谐波的电压分量，同时使中性线三次谐波电流大大下降。
　　a、综上所述，对于电力行业的谐波治理方法有以下四种基本方法：
　　1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组别的变压器，隔离三、九次谐波。
　　2、采用L、C串联无源滤波器，对五、七次谐波进行治理。
　　例如，丽水局的110kV景宁变电所由于10kV负荷中，中频炉占有较大比重，从实测数据看，主导谐波为5、7，11，13，19，32，33，34，36，38次。补偿电容器的投入后，对低次谐波有放大作用，10kV母线电压畸变率由6％上升为8.5％，对高次谐波有一定滤波作用，而且电容投入运行后，会使电容器端电压升高，导致电容器损坏。目前，在一、二段母线上各加一组五次和七次滤波器（容量为200kVAR×18只 五次；200kVAR×12只 七次）后，不但使五、七次谐波有明显压制，而且提高了功率因素，使供电量增加、线损下降。具体测试数据如下：
总谐波 3次谐波 5次谐波 7次谐波 11次谐波
治理前 6.05 0.7 3.75 2.36 1.52
电容器投入 8.02 0.95 5.86 4.78 1.63
治理后 3.78 0.7 1.2 0.4 1.5
　　3、采用L、C并联无源滤波器，对三次谐波电流进行阻塞。
　　例如，本市中心医院的外科大楼及门诊楼引入新的进口设备，由于低压系统有三次谐波分量，造成新引入的医疗诊断设备不能正常运作，医院采用了L、C并联无源滤波器，串接在变压器中性点上，从而使三次谐波得到压制，使医疗诊断设备能够正常工作。
　　4、加强电网建设，扩大电网容量，增加旋转备用容量。
　　b、对于非线性用电设备的谐波治理方法有以下五种方法：
　1、对电弧加热用电设备，采用多相（六相、十二相等）电弧炉变压器，从而使低次谐波分量下降，高次谐波分量上升。目前最常用的是Y/Y0、Δ/Y0两变压器分别接两台相同容量的电弧炉，并使两炉同步作业，通过LC串联无源滤波装置进行局部治理，达到用电设备产生的谐波不超标。
　2、对于交流整流直流用电设备采用多相整流。多相整流产生的谐波多为整流相数±1次，对12相整流设备，谐波分量最大是11次和13次，而对24相整流设备，则是23次和25次。谐波频率越高，L、C串联滤波器的投资越小，谐波在输电线路中传输衰减越快。
　　3、开关电源设备谐波治理。工业用的典型设备是中频炉，目前广泛采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器初级并联，带两台相同容量中频炉同步运行，以提高整流时产生谐波的次数，在中频变换中进行L、C串联吸收，以减少中频谐波反射到电源侧，其接线如下图所示，

　　例如，浙江省青田县特种钢厂，引进了美国生产的中频炉，采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器分别接中频炉，使其产生的谐波对电网的影响明显降低。
　　4、变频器的谐波治理。在发达国家中是变频器和变频器谐波治理设备是配套供应的，由于变频器的设备价格和配套的变频器谐波治理设备的价格相差不多，我国的好多用户，往往只安装变频器，不安装配套的谐波治理设备。随着变频技术的推广，会使电网中的谐波影响加剧，因此希望用电管理部门做好用户工作，做到变频器与配套的谐波装置二者同时设计，一起投运。
　　5、用户侧多投一些同步电动机，它一方面可以进行无功补偿，减少电压波动及电压闪变，另一方面它又能吸收一部分谐波电流，对谐波治理也有很大好处。例如，遂昌钢厂，在同步电动机全开时，110kV古市变和金溪变35kV母线的电压，谐波分量基本能在允许范围内，如果同步机停运，则这两点的电压谐波分量会超标，因此用户投入同步机对电网是有利的。
　　单相电焊机它是一个谐波源，在五十年代出现过电动机带动直流发电机。直流发电机提供电焊机电源，这也是一种谐波治理方法。在三十年代，上海的电车、电镀都是用交流电动机带动直流发电机来供电车和电镀电源。但是在整流技术发展的今天，我们当然不会使用这一落后的技术手段来治理谐波，而是采用价格低廉的无源滤波器。
　　在供电系统中进行谐波治理有不少困难，非线性负荷不是24小时平稳运行的，如电弧炉、中频炉在出炉时会停运，在熔化和冶炼过程中，出力又有变化，因此谐波是在变化的。所以采用一个或几个固定的无源滤波器的投切，不可能和非线性负荷变动进行同步，而目前有源滤波器又不可能大力推广。从技术上说，目前对谐波治理有一定难度，而且虽然串联L、C无源滤波器对五、七次谐波起了治理作用，但是对某次谐波在某个条件下会起放大作用，从这一点来看，希望加强用电设备的治理工作。
　　在变电所补偿设备中串入一定电感，可以使之成为五、七次谐波治理设备，同时还可以起到补偿作用，以达到一物二用。但在设计方面则要请有丰富经验的设计单位设计，在浙江省可以请浙江省电力试验研究所，他们在五、七次谐波治理中已取得了很好的成果，在他们的指导下，各供电企业可以自己动手，从小到大做一些谐波治理工作，解决一些谐波污染问题，这对各供电企业的自身提高是有帮助的

一、 谐波现状浅析
1、通过对市场的常用用电器的谐波状况的测试，我们了解到目前我国内工业企业的谐波污染十分严重，尤其是早些年为了节能，引入的变频电源和直流用电器的投入，其5次、7次、11次谐波电流的含量分别占基波的20%、11%、6%，这对于小功率的用户而言，还不怎样，但对于大功率的用户来说，危害就很大了，对于中频炉用户，它用常规的无功补偿就无法进行，有的用户用常规的电容器无功补偿，无法投入电容器，有的即便投入了，也对5次谐波电流放大了1.8~3.8倍以上，使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大大地增加，缩短了设备的使用寿命，多交了电费。

二、目前国内对谐波污染的治理
谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器。
1、无源滤波装置主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。
2、有源电力滤波器。这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。    
三、无功补偿与谐波治理的密切关系
    滤波的目的，主要是清洁电网，在滤波的同时，对系统进行无功补偿。有的负载，用常规的无功补偿方式是不能凑效的，例如中频炉、电解炉、电弧炉等。必须对其进行滤波后才能进行无功补偿。还有的负载，用电容器直接进行无功补偿，会在5次谐波处发生谐振放大，使得5次谐波电流发大达到2倍以上，给电缆等输电线路增加负担，使得变压器、电动机等的铜损、铁损增加，寿命缩短。
     可以说，滤波的目的一是为了清洁电网，二是为了更好的进行无功补偿，提高系统的功率因数。
一般而言，按照常规的计算方法，系统中的无功高，功率因数就低，投入补偿电容器，就能提高系统的功率因数，但是，往往在有的高谐波系统中，投入了大量的补偿电容，还不能提高系统的功率因数，这主要是由于系统的功率因数和基波功率因数、谐波功率因数有关，他们之间的关系符合以下关系： Pf系统 = Pf位移 *  Pf谐波
即便你把基波功率因数补到了1，但由于谐波功率因数小于1 ，其二者的乘积还是要小于1的。
如：Pf位移 =  P/S = 0.95   ；  Pf谐波 = 1/√(1+THDi2 )
设: THDi = 30% ,则：Pf谐波 = 0.958 ，Pf系统 = 0.95*0.958 = 0.91
结果表明，我们原来把基波，即位移功率因数补到了0.95 ，而实际只达到了0.91。这还是在假设补偿电容能投上的前提下的。

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