高压直流输电系统中谐波的抑制

冯文斌

华电忻州广宇煤电有限公司 山西忻州 034000

1 谐波的概念

谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。根据法国数学家傅立叶分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率、幅值与相角。谐波分为偶次与奇次,第3、5、7、9等次的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。应该注意,我们所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形,电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴；谐波与频率低于工频基波频率的分量和频率非基波频率整倍数的分量有定义上的区别。

2 谐波的危害

电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热,使电力电容器组工作不正常,对电机、变压器、电容器、电缆等设备造成振动、过热、绝缘老化,严重影响设备的使用寿命甚至直接造成设备损坏；对电力系统中的发电机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大的危害,严重时会引发保护误动作,造成重大事故；谐波污染还可能对通信、计算机系统、高精度加工机械、检测仪表等用电设备造成严重的干扰。

3 谐波的抑制

为保证供电质量、净化电网,防止谐波对电网及各种电力设备的危害,除要对发、供、用电系统加强管理外,还必须采取必要的措施来抑制谐波。抑制谐波应从以下两个方面来考虑：一是产生谐波的非线性负荷；二是受危害的电力设备和装置。

在电容器回路串接电抗器来抑制谐波,这种方法实际上是利用无功补偿用的电容器来抑制谐波。在电容器回路串接电抗器组成滤波器,是目前国内外抑制谐波所广泛采取的措施。即形成一个对n次谐波串联谐振的回路.实际采用的是3次谐波滤波器串联13%的电抗器,5次谐波滤波器串联6%的电抗器,并不是正好地采用11%和4%的值,稍大一点是为了使电容器回路阻抗呈感性和避免完全谐振时电容器的过电流。

在谐波源处就近安装滤波器,是在谐波源设备已经确定的情况下,防止谐波电流注入电网的有效措施。安装滤波器的基本原则是：靠近谐波源吸收谐波电流。因为待到谐波电流注入高压电网后再采取措施,无论在技术上还是经济上都是不合理的。

滤波器由R、L、C组成,除广泛使用的交流滤波器外,还有利用时域补偿原理的有源滤波器,能做到适时补偿,且不增加电网的容性元件,通过监测实时谐波状况,在线计算出所含谐波分量,产生相应的控制信号,去控制可关断功率器件一般是IGBT构成的逆变电路,产生所需补偿的电流谐波分量,并联接入产生谐波的主回路中,达到迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。

提高供电系统容量是抑制谐波影响和危害的重要措施之一。加大供电系统容量,供电系统等值短路阻抗将减小,母线谐波电压水平就降低；选择合理的供电电压也可以降低谐波影响和危害,高压电网的短路容量大,有承担较大谐波的能力,所以大容量的谐波设备,可以由更高一级电网供电。随着电器产品制造技术的提高,已能制造出高电压大容量的滤波装置。所以应在详细的技术经济论证后,确定选用大容量滤波器或用更高一级的电压供电。选择系统与变压器的接线方式以便把三的倍数次谐波的产生减至最小。例如采用星形三角形接线,三角形侧谐波无法流出。

高压直流(HVDC)输电在远距离、大容量方面独具优势，而换流变压器是一大功率、非线性电子元器件，在系统中产生大量非特征和特征谐波，对供电质量是一种“污染”，严重干扰周围通信系统，而且使输电系统电气设备发热而损坏，严重时在输电系统产生并联和串联谐振。目前抑制谐波的方法有两种，一种是增加换流器的脉波数，另一种是装设交流滤波器和直流滤波器。直流工程中采用6脉波和12脉波换流器并配置滤波器比采用24脉波更经济。而滤波方法分为疏导法，如串联调谐滤波器与主电路并联，阻塞法如平波电抗器与主电路串联，考虑到经济和滤波效果，交流侧主要采用交流滤波器，直流侧采用平波电抗器和直流滤波器。

4 结语

直流输电在我国电网的发展中将占有非常重要的位置。我国要着力发展直流输电技术，在设备制造方面要使引进的技术形成规模的国产化生产能力，要结合我国在世界上无与伦比的电网结构研究相应的控制保护技术和系统稳定技术，研究提高直流输电可靠性的技术，研究多回路直流相对集中送出和馈入的问题，研究符合中国特点的运行技术。我们在跟踪世界上直流输电新技术发展研究的同时，要研究开发具有自己独立知识产权的新技术。直流输电技术的研究必定会带动灵活交流输电技术的发展和应用，带动现代电力系统（包括配电系统）应用新的技术进行改造和再装备。同时，我们一定要做好直流输电的研究、规划、建设工作，这是我国电网发展的需要。