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节能型谐波治理装置的设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-10-25  来源:《电气&智能建筑》  作者:深圳华阳国际工程设计公司 岳洪泉
摘 要 电力及电子装置在运行中除了耗能的同时,也给如今的电力系统带来了严重的有害谐波,破坏运行、损坏设备,甚至引起火灾等。设计节能型谐波治理装置提高运行可靠性,降低制造成本和运行成本,推荐生产的简易化、模块化和最大利益化。
 
关键词 谐波 无源滤波装置 有源滤波装置 节能型滤波装置
 
1 谐波的存在
 
  工业与民用中的用电是作业最基本的启动点,这些电力及电子装置在运行中除了消耗电能的同时,也给如今的电力系统带来了严重的有害谐波问题。谐波产生包括同步发电机类的转子与定子之间因存有空气隙,其磁场的非正弦分布状况引起了电动势中含有部分的谐波分量,这可归类于“谐波电压源”;而变压器的励磁回路具有的非线性电感分量,其会产生非正弦波电流;在空载时,非正弦的励磁电流在变压器原绕组上的漏抗产生的压降,使变压器感应电势中包含谐波分量,变压器产生了“谐波电流源”;在民用与工业的动力系统中当采用变频技术进行调速时,谐波频率随频率变化时会对电网的电源质量产生了较大影响。
 
  谐波的危害显现的地方和方式有很多,如某商城有一个小例:因谐波的存在而使配变电设备存在异常噪音、配电线路零线温度达到83℃、当相线基波电流210A时其“零线”上的电流已经约达到了370A,零线电流大于相电流,零线因截面面积过小而过载,导致零线过热。
 
  综观在电气设备运行的地方有谐波存在时,自然就会使发电机的效率降低、使电气设备出现过热、产生振动和噪音,使绝缘老化、设备使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁的结果。

从20世纪90年代开始,当个人计算机刚开始普及的时候,在欧美发达国家很多建筑物中的火灾是中性线过热导致的;现在,欧美国家对电子设备的三次谐波电流进行了严格限制;由于在工程中特别关注,中性线上过热的现象已经很少见到。
 
  另外,谐波也会对通信设备和电子设备产生严重干扰,因此,谐波对于电网也是一种电磁环境的污染。造成的不良影响有以下几个方面:
  (1)数字控制设备PLC、数控机床等,发生误动作;
  (2)信号采集系统、测量仪器等的精度降低;
  (3)电动机发生抖动、过热;
  (4)谐波还会引起继电保护和自动控制装置的可靠性降低,产生误动作。
 
2 谐波治理方式
 
  在有谐波产生和扩散处,目前常用的方式多采用无源滤波装置和有源滤波装置等。
 
  无源谐波滤除装置在实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置,其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。无论高压和低压,都是一样的。传统的手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器,这两种方法结构简单,既可以抑制谐波,又可以补偿无功功率,一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,容易让系统发生并联谐振。
 
  有源谐波滤除装置比较好的解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题,目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿。
 
  有源滤波器是用电流互感器经采样,将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理,作为的调制信号与三角波相比,得到开关信号去控制单相桥,将上、下桥臂的开关信号反接,就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流,将线路上的谐波电流抵消掉。再将有源滤波器接入点后的线路上电流的谐波分量反馈回来,作为调节器的输入,调整前馈控制的误差由于受到电力电子元件耐压、额定电流的发展限制,成本很高,其制作也较之无源滤波装置复杂得多。
 
3 现在用的方案的优缺点
 
  现在已有的技术和方案多是通过“引走谐波进入支路(无源滤波方式)”或反向抵消谐波(有源滤波方式);
 
  前者,无源滤波方式即是在设备运行的电路内“引走”谐波,其实这些谐波依然还是“在电路内游走在零线上”,这个在技术上应该属于选择旁路谐波的通道,但是其结果在电路的零线上依然会有较大的谐波电流通过、或许是零线上积累的不会像滤波前的那么集中或叠加;旁路方式滤波在可行性上来讲是属于比较简单的方式且投资比较节省。
 
  那“有源滤波模式”就是用了一个“有源装置发生器”产生逆向的系列谐波群来抵消线路上的谐波,达到保护运行电源和设备过程,这在技术上已经是很新的模式了,由于其设备本体是一个过载能力有限的电力电子设备、这个技术方案还需要有复杂的电路技术和较高的造价在作支撑;若从提高用电系统的可靠性上看,在设计方案的选择上尚需要多一点考虑过载能力等因素(可靠性的定义是:在一个设备或系统内,每增加一个器件,可靠性降低一倍);另外,有源滤波它是通过产生“变形”的电流与谐波电流做代数相加抵消谐波而平滑电路电流,在这个过程里实质上是已经吸收了(或者称为消耗)供电电源的电能方式来换取滤波工作的,从能源的消耗方面讲这个方式可谓又多了一份“浪费”能源才获得到的效果。
 
4 节能型谐波处理器的设计基点
 
  节能型滤波装置在满足“GB-T 14549-电能质量”的技术要求时,能做到消除电路中的谐波和减少故障引发点,并保持着与其它滤波产品在方案和模式上有所改进,做到提高运行的可靠性、并保持容易制造成品的优势,实现在运行中降低对复杂技术和高难度管理要求、降低造价并有节能的模式。
 
  在设计的理念上以尽可能的少量的选用电子器件与电气器件构造成滤波装置并满足“国家标准”要求为基点,突出实用性、技术性、高可靠性和经济性。
 
  在运行上从认知谐波对电网产生的“麻烦”开始,以解决用电设备环境的舒适性为起点,创造性的把“谐波能量”作为一个可再利用的新能源对待,以达到综合提高用电的效率为目的。
 
  从原理上讲与其它模式滤波装置的对比是在减少耗能的同时,又把这个“谐波功率”变成了新能源而加之利用,属于创新设计。
 
  该设计理念上若与性能良好的“有源滤波器”对比时,有源滤波器是一个先吸收了电网的电能(或说成是消耗电能),且与谐波约等量的电能去消除用电线路里的谐波能量;而新方案里不再吸收电网电能,相反的还要利用谐波做功;这一正一反的模式几乎存在有着两倍的“电能”差别,所以说该方案是具有节能的模式,相应的也在减少客户运行的用电费用。
 
  国内知名的某网站“数据中心”供电系统配置了有源滤波器,但平时里有将设置的有源滤波器关掉并停运,理由是为了节省电费开销(该单位曾因此被供电管理部门罚款);这就彰显了客户们对用电电费开支的注重,这也是他们很“心痛”问题。
 
  试想,若把节能型谐波治理装置推广应用后,则每年能做到节省很多的电能,也会给用户带有很可观的经济效益(使用通用性的滤波器也有节省电费的例证:对中等用电的客户节约开支——几十万或几百万元/年);另外,在建设中,在有关滤波设备的采购中也会让投资者获得很好的效益。
 
  若把节能型滤波器微型化以后也推广到小环境或者是家庭中,其节能效益也会是很可观的。
 
5 方案的初衷
 
  节能型谐波治理装置新方案的出现,其前提是认知了电网里的“谐波”所产生的电能损失及破坏性的后果已到了不容忽视程度,同时也看到了“无源滤波”方式也处于逐渐被“有源”滤波方式所替代的趋势;而面对电子技术主导的滤波技术的复杂性及电子器件的可靠性也有再推敲空间,希望有新的滤装置在运行可靠性方面及耗能上有所改进能,再一次的降低运行成本和造价。
 
  另外,有源滤波器里的电子器件的可靠性、耐压性、抗干扰性、抗冲击性方面往往比电气器件要脆弱一些,它也是电子类产品设计者需要认真考虑的一个问题,或者说设计者为了提高可靠性而在器件参数的选择上做了很大的冗余量,即使能这样的“牺牲造价”也不一定能很好的改善抗冲击的危害;这些都会在装机后的运行服务、运行中过载等方面有所体现的。
 
  若能做到对电力系统的滤波装置简化它的结构并达到提高电路滤波系统的可靠性,如愿的把谐波能源利用起来,这就符合了可靠运行和节能的理念。
 
  此举设计的中心议题也是考虑如何提高运行的可靠性和利于节能设备的制造并降低制造成本及运行成本;最后是推荐生产制造的简易化、模块化和最大利益化。
 
参考文献
1 《电能质量》(GB-T 14549-1993)
2 无源滤波器的设计方法.电力电容器与无功补偿.2008;05 
3 电力系统的谐波抑制技术.《电气时代》,2009;09
4 电力系统谐波的危害及抑制.萨顿斯(上海)电源有限公司
5 有源滤波器设计实验

 
关键词: 谐波治理装置
 
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