控制的6种技术 谐波失真

谐波是指频率为电力系统基频倍数的电流或电压，它源于非基频波动。线性负载以下是有效管理和减少谐波失真的六种技巧，重点介绍如何将 Intone Power 的产品集成到这些解决方案中：

1. 网络重配置

网络重构是减少谐波的措施之一。该过程首先识别向电力系统产生大量谐波电流的用户或部门，并根据其频率特性对其进行分类。

假设不考虑使用谐波滤波器。在这种情况下，在馈线上混合使用线性和非线性电负载可以降低谐波失真，因为线性负载可以起到自然衰减器的作用，控制谐振的并联峰值。

网络重配置的首要目标包括：

•最大限度减少网络功率损耗

•最小化网络 电压情况 在切换或故障期间

•最大限度减少节点电压谐波失真

•最大限度地减少系统不平衡

支路交换技术用于电网重构。这是一种设计技术，即在电力网络中引入一条未通电的联络支路。如下图 1 所示。

图 1. 配置前后对比图。图片由西蒙·穆戈提供

之前流向节点 n 的功率是通过路径 pqr 传输的，配置后，功率路径变为路径 pst。该技术的优点是能够自动维护径向配置，无需进行任何计算即可达到目的。

2. 提高供料模式刚度

提高当前短路电流与额定负载电流的比值意味着需要更大的供电节点。这种情况在电力供应商扩建变电站时很常见。此外，当大型电力用户（例如工业用户）在主供电母线上增加辅助热电联产机组以应对运营高峰需求时，也会发生这种情况。

短路电流与负载电流之比反映了电力系统的电源刚度。刚度较高的交流电源会增加短路电流出现的概率。

有了强大的供电节点，就能更好地吸收网络中存在的瞬态扰动，并有助于减弱变压器启动、电缆通电和大功率电机负载启动时产生的大浪涌电流的影响。

在高短路电流下，预期会出现低阻抗源，而低阻抗源又与变压器的容量成反比。我们可以通过计算用一台额定容量为 MVA2 的新变压器替换一台额定容量为 MVA1 的旧变压器时阻抗的变化来说明这一点。

利用变压器阻抗基波表达式

。

最后我们得到了

。

假设方程中的所有参数都相同，则上述方程可简化为：

。

该公式给出了新旧变压器阻抗比的变化情况。例如，一台60MVA的变压器的阻抗将比一台30MVA的变压器小一半，短路电流将增加一倍，前提是两台变压器的漏电流问题相同。

在谐波频率下，电力系统的容性阻抗和感性阻抗会根据频率函数而变化。

对于感性负载

。

对于容性负载

。

电力系统的感性元件主要受较硬电源的影响。谐波电流产生的电压降受系统感抗的影响，而感抗由馈线和变电站的元件构成。

对于短馈线，主要影响因素是源阻抗。在这种情况下，谐波电流会到达系统的变电站，从而产生谐波失真。而对于阻抗更稳定的系统，谐波失真则较小。

3. 添加多脉冲变换器以消除谐波

这里我们可以使用半波整流器和全波整流器。半波整流产生的直流输出会使变压器饱和，而全波整流可以限制这种饱和现象。

六脉冲单元是最基本的多相变换器。十二脉冲单元用于消除低次谐波，即五次和七次谐波。

下图 2 为脉冲转换器连接图。

图 2. 脉冲转换器连接。图片由西蒙·穆戈提供

如果要降低其他谐波电流，可以进行相位倍增。例如，一个24脉冲单元由四个六脉冲全波整流桥组合而成，每个整流桥与其他整流单元相比具有15度的相位差。这是通过使用移相变压器实现的，该变压器将以之字形连接的附加绕组隔离开来。参见下图3。

图 3. 脉冲转换器连接。图片由西蒙·穆戈提供

使用六脉冲整流器消除谐波的条件如下：

•连接中使用的变压器具有相同的漏阻抗和变比。

•负载被平均分配给所有可用的转换器。

•所有转换器的触发角都相似。

•变压器之间的相位差为 60/N 度，其中 N 为节数。

特征谐波衰减的方程可以写成：

h=公斤±1

在哪里

h 为系统谐波阶数，N 为六脉冲整流器的数量，q 为 6×N，K 为取值范围为 1, 2, 3, …, n 的整数。

4. 串联反应堆

在工业领域，串联电抗器长期以来一直被用于短路控制。它们广泛应用于冶炼行业、变电站和钢铁厂。有时，串联电抗器在工业领域也被用于抑制谐波。

非线性电流波形存在谐波失真。引入线路电抗器可以限制流入驱动整流器的浪涌电流数量。这可以降低峰值电流，使波形更加圆滑，并最大限度地减少谐波失真。电流失真可降低至约 30%。如果电流失真严重，也会使系统供电电压失真。如果系统吸收过多的谐波电流，会导致电压波形出现平顶。引入电抗器是控制电流成分的一种方法，从而可以降低电压上的谐波失真。参见下图 4。

图 4. 串联和并联补偿输电系统。图片由以下机构提供：MathWorks

5. 相平衡

单相电力负载的变化会导致三相导体中的电流不平衡，从而造成电压降不均匀，进而引起相间电压不平衡。

这种不平衡的相间电压对配电馈线来说是危险的，尤其是在缺乏有效的杂散电压补偿措施的情况下。虽然很难实现完全平衡的系统，但应尽可能地平衡各相电压，以减少谐波。

相电压不平衡

要最有效地确定不平衡电压，您需要知道如何计算它。

首先使用以下公式计算偏差：

。

如果系统在不平衡相位下运行，将会出现以下情况：

•由于线路电流不平衡导致电缆过热。

•微型断路器、塑壳断路器、熔断器等未受保护。

•地下电缆故障。

相位平衡能够使系统三相电力线上的负载均匀分布。如果系统不平衡，馈线电容器的容量将无法满足系统未来的负载需求。良好的电流平衡可以消除过载线路或相上的额外电流应力，并将电流转移到欠载线路或相上，从而为未来的负载需求腾出空间。相位平衡还能提高系统的馈线容量和电压质量，并降低损耗。下图5所示为一个基本的平衡三相电力系统示意图。

图 5. 基本平衡三相电源。图片由西蒙·穆戈提供

6. 负载分组

许多电力网络可能包含具有不同频谱成分的非线性负载。将这些负载按谐波频谱相似性进行分类，有助于优化谐波滤波器的位置、安装、尺寸和选择。

电路网络中可能存在多种类型的负载，包括电阻性负载、电感性负载和电容性负载，它们都会向电力系统中引入不同程度的谐波。这些负载应用于各个领域。家庭或住宅负载的耗电量较小。商业、工业和市政负载则是其他用电领域。所有这些领域消耗的电力都包含不同谐波，对其进行分类有助于减少谐波从一个领域传播到另一个领域。

我们有各种负载，它们消耗不同类型的电压。有些负载消耗 208V，有些消耗 120V，有些消耗 240V，等等，这些负载必须合理分组。请参见下图 6 中的电压消耗系统，该系统具有不同的功率负载。

图 6. 120/240 V，3 相，4 线，开三角形系统。图片由西蒙·穆戈提供

减少谐波的要点

本文介绍了工程师可以用来最大限度减少电力系统谐波的六种技术。它们包括：

•网络重配置有助于减少谐波，其过程是识别产生大量谐波的用户，并根据他们产生的谐波类型对其进行分类。

•供电模式刚度的提高意味着供电节点更加稳健，其数值为短路电流与负载电流之比。交流供电模式刚度越高，短路发生的概率就越高。

•通过采用半波和全波变换器，增加多脉冲变换器来消除谐波，有助于消除谐波。这里，六脉冲变换器是最常用的多相变换器。

•串联反应堆可最大限度地减少冶炼厂和钢铁厂中的谐波。

•相位平衡是另一种有效减少谐波的方法。请记住，相位不平衡是谐波的来源之一。

•负载分组是指将相似的负载放置在一起。电力系统中存在具有不同频谱特性的非线性负载，将这些负载分组有助于选择和确定谐波滤波器的规格。