减少谐波失真的六种必要技术

控制与谐波相关的问题的最早方法涉及使用单调谐滤波器，该滤波器为谐波电流提供较低的阻抗路径。有趣的是，在没有谐波滤波器的行业中，在兆伏安范围内找到产生谐波的负载并不困难。工业部门的大型谐波生产商可能仍采用传统的谐波滤波方法来控制超出系统计量点的干扰，这些干扰会影响敏感过程和设备。这些过滤方法对于住宅和商业设施来说并不具有成本效益。本文探讨了可用于控制谐波和减少电力系统中流动信号引起的失真谐波的技术。

1. 网络重新配置

网络重新配置是有助于减少谐波的措施之一。此过程首先确定对电力系统产生大量谐波电流的用户或扇区，并根据频率成分的特征对其进行分类。

假设使用谐波滤波器不是一个考虑因素。在这种情况下，在馈线上混合线性和非线性电负载可以减少谐波失真，因为线性负载作为控制谐振器平行峰值的自然衰减器。

网络重新配置的首要目标包括：

最大限度地减少网络功率损耗

最大限度地减少切换或故障期间的网络电压骤降

最小化节点电压谐波失真

最大限度地减少系统不平衡

在网络重新配置期间采用分支交换技术。这是一种在电网中引入未通电的扎带分支的设计技术。下面的图 1 对此进行了演示。

图1.

配置图之前和之后。图片由Simon Mugo提供

节点 n 的电源之前流经路径 pqr，配置后，电源路径更改为路径 pst。这种技术的优点是径向配置的自动维护，无需计算即可实现目的。

2. 提高供电模式刚度

增加当前短路电流和额定负载电流之间的比率意味着更实质性的供电节点。当电力供应商增加变电站的规模时，这很常见。当工业客户等大型电力用户在主电源总线上添加其他支持性热电联产以改善运营期间的峰值需求时，也会发生这种情况。

短路和负载电流之间的比率为我们提供了电力系统的源刚度。刚性的交流电源增加了短路电流的可能性。

使用强大的电源节点，您可以更好地吸收网络中存在的瞬态干扰，并帮助衰减变压器的大浪涌电流、电缆通电和大电机负载启动的影响。

对于高短路电流，预计会有低阻抗源，这反过来又形成变压器尺寸的反比函数。我们可以通过计算旧的磨损变压器额定MVA1被新的变压器额定MVA2替换时的阻抗变化来说明这一点。

通过使用变压器阻抗的基本表达式

我们最终得到

假设方程中的所有参数都相同，则将上述公式简化为：

这个等式给出了新变压器与旧变压器如何变化的阻抗比。例如，60 MVA 变压器提供的阻抗是 30 MVA 变压器的两倍，短路增加一倍，其中假设两个变压器遇到相同的漏电流问题。

在谐波频率下，电力系统的电容和电感阻抗根据频率函数而变化。

用于感性负载

XLh=hωL��ℎ=ℎ��

对于容性负载

XCh=1hωC��ℎ=1ℎ��

电力系统的电感元件主要受较硬电源的影响。谐波电流产生的压降受系统感抗的影响，感抗由馈线和变电站的组件组成。

对于短馈线，主要成分是源阻抗。在这种情况下，预计谐波电流会到达系统的变电站，从而产生谐波失真。对于较硬的系统，谐波失真较小。

3. 增加多脉冲转换器以消除谐波

在这里，我们可以采用半波和全波整流器。对于半波整流，它产生使变压器饱和的直流输出，这可以通过使用全波整流来限制。

六脉冲单元是最基本的可用多相转换器。12 脉冲单元用于消除 5 次低阶谐波千和 7千.

下面的图2是脉冲转换器连接。

图2.

脉冲转换器连接。图片由Simon Mugo提供

如果要减少其他谐波电流，请执行相位乘法。例如，一个24脉冲单元由四个-六个脉冲全波整流器桥的组合构成，与其他整流单元相比，每个桥具有15度的相移。这是通过使用移相变压器实现的，该变压器将连接成锯齿形的附加绕组分开。请参见下面的图 3。

图3.

脉冲转换器连接。图片由Simon Mugo提供

请参阅以下条件，以消除使用六脉冲整流器的谐波：

连接中使用的变压器具有相同的泄漏阻抗和变比。

负载在可用转换器之间分成相等的部分

所有转换器都具有相似的发射角度

变压器之间的相位差为60/N度，其中N是节数。

特性谐波降低方程可以写为

h=kq±1ℎ=��±1

哪里

h 是系统谐波阶数，N 是六脉冲整流器的可用数量，q 是 6×N，K 是 1，2，3,.....,n 给出的整数

4. 串联电抗器

在工业中，串联电抗器长期以来一直被纳入短路控制。它们用于冶炼工业、变电站和钢铁厂。有时在工业中，串联电抗器非常适合用于衰减谐波。

非线性电流波形具有谐波失真。引入线路电抗器可限制进入驱动整流器的浪涌电流数量。这降低了峰值电流，使波形四舍五入，并最大限度地减少了谐波失真。电流失真降低到约30%。如果电流失真严重，也会使系统供电电压失真。如果系统消耗过多的谐波电流，则会导致电压波形顶部平坦。引入电抗器是控制电流组成的一种方法，这样，电压上发生的谐波失真就会减少。请参见下面的图 4。

图4.

串联和并联补偿传输系统。图片由

MathWorks

提供

5. Phase Balancing

单相电负载的变化会导致三相导体中的电流不平衡，从而产生不同的电压下降，从而引起不平衡的相间电压。

这种不平衡的相间电压对配电馈线是有害的，特别是当杂散电压补偿措施不佳时。一个完美平衡的系统很难实现，但总是尽力平衡相位，从而减少谐波。

相电压不平衡

为了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：

如果系统在不平衡阶段运行，将发生以下情况：

由于线路电流不平衡，电缆过热。

对微型断路器、微型断路器、保险丝等的解除保护。

地下电缆故障。

相位平衡导致负载在系统的三相电源线上均匀分布。如果系统不平衡，则馈线电容器将错误地用于系统未来的负载需求。通过良好的电流平衡，将消除过载线路或相位上的额外电流应力，并放置在欠载线路或相位上，从而为未来需求创造空间。相位平衡还提高了系统的馈线容量和电压质量，并减少了损耗。参见下面的图5，这是基本平衡三相电源的示意图。

图5.

基本平衡三相电源。图片由Simon Mugo提供

6. 负载分组

太多的电网可能带有包含不同光谱内容的非线性负载。将这些负载分组到由相似谐波频谱组成的类别中有助于优化谐波滤波器的位置、安装、尺寸和选择。

电路网络中可以存在多个电气电阻负载、感性负载和容性负载，它们都具有不同水平的谐波引入电力系统。所有这些负载都用于各个部门。在家庭或住宅负载中，消耗适中的功率。商业、工业和市政负荷是利用电力的其他领域。所有这些区域都消耗不同谐波的功率，可以对其进行分类以帮助减少谐波从一个扇区传播到另一个扇区的方式。

我们有不同的负载消耗不同类型的电压。有些消耗208 V，有些消耗120 V，有些消耗240 V，依此类推，这些负载必须很好地分组。参见下面图6中的电压消耗系统，其具有不同的功率负载。

图6. 120/240 V，3 相，4 线，三角形开路系统。图片由Simon Mugo提供

减少谐波的要点

本文介绍了工程师可以用来最小化电力系统中谐波的六种技术。它们包括：

网络重新配置有助于减少谐波，这是根据产生大谐波的类型对产生大谐波的用户进行识别和分类的过程。

电源模式刚度的增加意味着更坚固的电源节点，即短路和负载电流之间的比率。交流电越硬意味着短路的可能性越高。

通过使用半波和全波转换器添加多脉冲转换器以消除谐波，有助于消除谐波。这里的六脉冲是最常用的多相转换器。

串联反应器可最大限度地减少冶炼厂和钢铁厂的谐波。

相位平衡是另一种适用于最小化谐波的方法。请记住，不平衡相位是谐波的来源。

荷载分组是将相似的荷载放在一起的地方。电气系统中提供具有不同频谱内容的非线性负载，对这些负载进行分组有助于选择谐波滤波器并调整其大小。

审核编辑：彭静