欢迎进入浙江亿德科技有限公司官方网站!
新闻资讯

对电力系统无功补偿及谐波抑制策略的研究

发布时间:2021-01-26    访问:2164

大容量变流设备的应用越来越广泛,电力系统中的电压与电流波形发生畸变,不仅降低了电能质量,而且影响到电力系统的正常运行,因此针对电力系统的谐波治理与无功补偿技术,不仅可以提升供电设备运行的稳定性与工作效率,而且可以在保证供电质量的前提下降低供电成本,所以有着重要的现实意义。本文就针对电力系统的无功补偿技术与谐波抑制策略进行分析。

1 谐波的产生与危害

1.1 谐波的产生

具体而言,谐波是由谐波电流源产生的。在正弦电压施加于非线性负荷条件下,电流就会变换为非正弦波,而负荷连接电网,相应的电网中就会注入非正弦电流,在电网阻抗上产生压降,最终形成非正弦波,受其影响,电压与电流的波形均会产生畸变。由此可知,电网的谐波源主要来自于非线性负荷。在电力系统中,谐波源的种类大概可以分为三种,一种为半导体非线性负载,包括各种整流设备、交直流换流设备、相控调制变频器、其它节能电力电子设备与控制设备等;另外一种为磁饱和非线性负载,主要来自于变压器、发电机以及电抗器等设备;还有一种为电弧非线性负载,主要来自于各种气体放电灯、冶金电弧炉以及直流电弧焊等。之前由于电力电子设备的应用不如现在这么广泛,因此磁饱和非线性负载以及电弧非线性负载为主要的谐波源,但是随着电子电力设行的应用越来越广泛,半导体非线性负载逐渐成为最主要的谐波来源。

1.2 产生谐波的主要原因与谐波危害

多种因素均可导致谐波的产生,不过常见的有两种,即由于非线性负荷产生的谐波,另外一种则是由逆变负荷产生的谐波,前一种负荷包括可控硅整流器以及开关电源等,这种负荷所产生的谐波频率通常是工频频率的整数倍,比如三相六脉波整流器主要产生5次、7次谐波,三相十二脉波整流器主要产生11次与13次谐波;而后一种负荷除了产生整数次谐波外,还会产生分数谐波,其频率为逆变频率的两倍,比如中频炉采用三相六脉波整流器,其工作频率为820Hz,不仅会产生5次、7次谐波,而且还会产生分数谐波,其频率为1440Hz。

在电力系统日常运营过程中,发电机与变压器均会产生谐波,所以可以说有电网就有谐波,但是随着电力系统的不断发展,越来越多的用电设备均会产生大量的谐波,而且电网中的并联电容器会进一步将谐波放大,加重了谐波的危害。具体而言,谐波的危害主要体现在以下几个方面:第一,对变压器造成损害,谐波电流会增加变压器的铜损、漏磁损以及铁损等,而且会导致变压器工作噪音与温度升高;第二,谐波电流会导致电缆过热过载,对导体绝缘体产生损害,并且高频谐波可能会导致集肤效应,从而造成电缆额定载流降低,增加铜损;第三,谐波会对表计的计量精度产生不利影响,这是因为谐波源会吸收电网中一部分电能,将其转换为谐波发送致电网中,此时电能表会误认为该谐波能量为发电量加以计算,最终出现计量误差;此外,如果高次谐波比较严重,会对电能表的计量精度产生严重影响,出现无原因丢电问题,此时机械式电能表就会因为高频率谐波产生的高频涡流阻力而变慢;第四,谐波会对精密电子设备、仪器产生干扰,严重的话能会损毁设备;第五,谐波会增加电网中所有连接设备的损耗,增加温度,尤其是有些设备包含电容器,影响更为明显,有可能会造成电容器爆炸事故或者损坏设备等问题;第六,受谐波电流的影响会出现电压畸变的情况,电压过零点漂移,从而线电压之间的位置点发生改变,最终导致控制系统判断失误。

2 电力系统中谐波的抑制措施

电力系统中抑制谐波的主要措施包括以下几种:

2.1 增加换流装置系数

电力系统中最主要的谐波源来自于换流设备,根据相关理论分析可知,如果换流设备脉动数有所增加,则环流设备在直流侧与交流侧所产生的特征谐波次数或以将较大幅值的低频项有效清除,从而大幅降低谐波电流的有效值。

2.2 滤波法

为了从根本上实现对电气设备的保护,将谐波对电力系统的影响降低最小程度,就要从源头上控制谐波的产生,防止其谐波源产生谐波电流,从而降低谐波的电压。可以通过主动防御与被动防御两种办法来防止谐波所带来的危害,所谓被动防御是指在出现谐波后采取无缘滤波法将谐波的危害降至最低;而主动防御则是采取有源滤波法,其主要原理是通过关断电子器件所产生和复合电流中的谐波电流分量相位相反、大小相等的电流,从而消除谐波。

现阶段大多数电气设备中所采用的均是LC无源滤波器,其可以有效的吸收高次谐波,而且可以对负载功率的因素进行明显改善,不过LC无源滤波器也存在以下几个方面的不足:首先,受调谐偏移及存在残压电阻等问题的影响,调谐滤波器不可能实现阻抗为零,一旦其阻抗发生变化就会对滤波的效果产生影响,并且滤波器还有可能会出现过负荷的问题;其次,随着电源侧的谐波增加发生源,滤波器很可能发生过载现象;此外,如果LC滤波电路过多,则很难实现高次谐波电流的平衡流入。

相比这下,由于在有源滤波法中,会关断电力电子器件,其所产生的反谐波电流可以将谐波电流所带来的影响抵消掉,因此可以弥补上述无源滤波法的不足之处,具体而言,有源滤波法的主要优势体现在以下几个方面:首先,系统抗阻等因素不会对高次谐波电流源产生影响;其次,不会出现共振的问题,因此系统结构不会影响到补充效果;再次,相对于无源滤波法而言,有源滤波法只需一台关断电力电子设备即可实现各谐波的补偿,其工作原理方面占据优势;此外,由于关电子设备自身可以限制输出,因此即使高次谐波量有所增加,元件也不会发生过载问题。

3 无功补偿技术分析

3.1 补偿方式

在无功补偿技术中,常用的补偿方式包括以下几种:第一,动态补偿与静态补偿相结合,由于电力系统中负载的类型越来越复杂,相应的电网对无功补偿的要求也越来越高,如果仅采用静态补偿的方法很难满足电网的运行需求,因此需要与动态补偿技术相结合,以适应负载的变化。第二,分相补偿与三相共补相结合。电力系统中诸如照明设备以及电子设备等新设备均为两相供电,因此电网中三相不平衡的问题越来越突出,仅通过三相共补同投同切等措施无法解决该问题,而全部采用单相补偿则会增加成本,因此必须根据负载的实际情况,选择更为经济的共分结合的方法。第三,快速跟踪补偿与稳态补偿相结合,可以说该无功补偿方式为未来发展的大趋势,主要对象针对一些大型的钢铁企业,其波动大、负载变化速度快,并且用电量大、工艺复杂,因此可以将无功补偿的作用充分发挥出来。采用这种补偿方法,不仅可以降低损耗、节约能源、提高度功率,而且可以将设备的工作容量充分利用起来,提高设备的工作效率,从而提高质量与产量。

3.2 采用智能型无功控制

可以利用电流信号与三相电压对电力系统中无功补偿的变化进行全程跟踪,其中无功功率为物理量,投切时采用用户设定好的功率因数为参考限量,基于模糊控制理论来选择电容器的组合,智能投切的主要对象是针对星一角的结合情况。需要注意的是,必须根据配电系统的每相无功功率智能选择电容器的组合,在投入电网过程中要遵循取平补齐的原则,从而实现对电容器的智能控制,提高无功补偿的精度水平。

3.3 集成综合配电监测功能

相对而言,该功能是一套比较完整的运行参数测量机构,其具备通信、记忆以及测量功能,对于低压配电网而言,可以利用该方法考克单元线损。其可以为工作人员提供及时的、实时的运行数据,保证电网运行的经济性与安全性,因此是配电网自动化系统建设过程中必不可少的基础组成部分。

3.4 集成电压监测与在线谐波监测

集成电压监测是参照按压监测仪的标准对数据进行统计与采样,用户可以以此为根据考核电压的合格率;而对于集成在线谐波监测而言,其中央处理器可以采用DSP,利用FFT快速傅里叶算法,将相关配电参数精确的测量并计算出来,包括无功电量、有功电量、功率因数以及电流、电压等,并能具备谐波的监测功能。

3.5 通信与模块式结构

一些终端会将设备的持续性使用等因素考虑进来,因此其接口根据实际需要采用标准的RS485、RS232,实现与配电网自动化系统的有机结合。在模块化设计结构中,其将保护集成、投切开关、电容器等集成于同一个单元中,形成多种容量规格的单元,其应用范围相对较广。模块式结构最大的特点是实现功能与结构的模块化管理,不仅可以满足不同用户的不同需求,而且现场的调修与维护也非常方便。