CN101055993A - 电网谐波治理方法及设备 - Google Patents

Abstract

电网谐波治理方法及设备，其特征是利用谐波变送器从系统中分离出谐波三相电压或三相电流信号之和，以设置在谐波变送器二次侧的阻抗形成的谐波变送器二次侧回路消耗谐波能量，或在谐波变送器二次侧对谐波信号进行反相，再将反相信号经谐波变送器一次侧反馈至系统中抵消系统谐波量，所述谐波为三相不对称谐波；在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波。本发明方法可靠、设备结构简单，运行维护方便，是其他谐波治理方法投资的几分之一乃至几十分之一。

Description

电网谐波治理方法及设备

                               技术领域

本发明涉及治理电网谐波的方法及谐波治理设备。

                               背景技术

谐波负荷电流是由非线性负荷所产生的。包括开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速的传动装置，不间断电源，磁性铁心装置，变频设备，电弧炉等。一方面，随着经济的发展，产生谐波的设备类型及数量急剧增长；另一方面，随着以计算机为代表的敏感设备的普及应用，对于公用电网的供电质量要求越来越高，许多国家和地区制定了各自的谐波标准，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。

交流谐波的危害性很大，主要有：(1)对邻近弱电系统和并联运行的晶闸管装置产生干扰；(2)使发电机的容许负荷降低；(3)使变压器的噪声增高、功率损失增大；(4)使接入交流系统的电容器过载；(5)引起电器的附加发热；(6)在三相四线电路中谐波可使中性线过载；(7)使感应电动机转速发生周期性变动，并使其功率损失(铁损、铜损)增加；(8)使互感器的精确度降级；(9)影响电子计算机的工作；(10)危害电缆寿命加速电缆老化。

目前对于谐波的治理包括：

1、设置动态无功补偿装置，以提高供电系统承受谐波的能力

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处设置动态无功补偿装置，包括静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOM StaticSynchronous Compensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

2、设置无源滤波装置，以便滤除谐波

采用无源元件，包括电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置，滤除谐波，减轻谐波对电气设备的危害。

3、采用有源滤波装置消除谐波

利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。

上述各类方法对于消除谐波都有一定的效果，但是所用设备造价昂贵，动辄几百万甚至几千万，一般用户难以承受。

                               发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种电网谐波治理方法及设备，其方法可靠、设备简单、易于制造、运行维护简单方便、成本低。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明电网谐波治理方法的特点是：

利用谐波变送器从系统中分离出谐波三相电压或三相电流信号之和，以设置在谐波变送器二次侧的阻抗形成的谐波变送器二次侧回路消耗谐波能量，或在谐波变送器二次侧对谐波信号进行反相，再将反相信号经谐波变送器一次侧反馈至系统中抵消系统谐波量，所述谐波为三相不对称谐波；

在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路。

本发明电网谐波治理方法的特点也在于所述三相对称谐波转换为三相不对称谐波是：

在系统一次侧的一相对地、或两相对地、或两相之间设置谐波通路泄放对称谐波；

或在谐波变送器二次侧一相的两端、或两相串联的两端设置谐波通路泄放对称谐波；

或针对系统的一相、或两相，分别设置该相的单相谐波变送器，在所述单相谐波变送器的二次侧接入谐波通路泄放对称谐波。

本发明电网谐波治理设备的特点是：

设置谐波变压器(XBYQ)，所述谐波变压器(XBYQ)的一次侧三相绕组分别接入系统中对应的各相线；所述谐波变压器(XBYQ)的二次侧三相绕组首尾相接而串联形成用于分离谐波三相电压之和的二次侧回路，在所述二次侧回路中或串联接入阻抗，形成消耗谐波能量的谐波变送器二次侧回路；或串联接入谐波电流反相电路，形成谐波信号反馈回路；

设置三相对称谐波转换为三相不对称谐波的转换电路，所述转换电路是在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路。

本发明电网谐波治理设备的特点也在于：

所述阻抗为电阻；或为阻基波滤波电路与电阻串联组成。

所述阻基波滤波电路为并联设置、且选择导通的各次谐波谐振支路，或为阻基波通谐波的高通滤波器。

设置谐波变流器(XBLQ)，所述谐波变流器(XBLQ)的一次侧串入系统中，所述谐波变流器(XBLQ)的二次侧三相绕组并联或串联设置形成用于分离谐波三相电流之和的二次侧回路，在所述二次侧回路或中串联接入阻抗，形成消耗谐波能量的谐波变送器二次侧回路；或串联接入谐波电压反相电路，形成谐波信号反馈回路；

设置三相对称谐波转换为三相不对称谐波的转换电路，所述转换电路是在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路

所述阻抗为电阻。

上述三相对称谐波是指频率相同、幅值相等、相位差120°。

在理想干净的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。实际上，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流，开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速的传动装置，不间断电源，磁性铁心装置，变频设备，电弧炉等产生大量的谐波危害系统。谐波有零序谐波是基频的3整倍数(3N，N为自然数)，即：

3，6，9，12，15，18，21，24，27，30，等等。

正序谐波是基频的3整倍数加1(3N+1)，即：

4，7，10，13，16，19，22，25，28，29，等等。

负序谐波是基频的3整倍数加2(3N+1)，即：

5，8，11，14，17，20，23，26，29，32，等等。

不同的设备产生不同的谐波，不影响基频三相对称的非线性设备主要产生奇次谐波，如变频设备等，影响基频三相对称的非线性设备产生偶次谐波，如电弧炉。

当系统受到某一激励，如晶闸管的导通或者电弧炉弧燃烧状态的变化，因导通和弧燃烧状态改变时刻三相电压值根本相等，故在三相中的激励量往往是不对称的，这一激励过后其产生的能量储存在系统对地电容上，在这一激励停止时刻其能量以电荷的形势储存在电容上，电荷立刻在三相对地电容平均分布，分布后的电荷与相电压叠加形成各相对地电压。

对于中性点接地的低压供电系统，每相对地电容上的电荷，通过其对地电容、线路、大地、本相的变压器绕组构成回路，振荡衰减，三相衰减回路参数基本相同，故三相振荡衰减过程是一致的；低压供电系统静态补偿电容是最普遍的，系统对地电容很大(一台单相家用空调用电容就有30微法)，一个低压供电系统对地电容达到上千微法乃至几千微法，在谐波下容抗很小只有零点几欧姆，又由于线路、变压器绕组电感值很小(几个毫亨)，以及大地的电阻又均可忽略不计，振荡衰减电流幅值很大，这就是为什么中性线上的电流大于相电流的原因。

对于中性点不接地系统，由于系统各个绕组都是三角形接法，三相对地电容上的电荷无法振荡衰减，必然通过电压互感器、电缆的对地绝缘电阻构成回路振荡衰减，电压互感器在谐波下感抗更高可达几万欧姆，电缆对地绝缘电阻很大兆欧级，系统对地电容很小一般在10微法左右(静态补偿电容中性点是不接地的)，振荡衰减的电流幅值很小(在1安培以下)，故振荡衰减速度很慢，但三相振荡衰减回路参数基本相同，故三相振荡衰减过程也是一致的；通过电压互感器振荡衰减会引起电压互感器铁磁谐振，给系统安全带来严重危害；振荡衰减的速度慢，谐波激励不断积聚(达到某一平衡值后激励和衰减平衡)，因此谐波对中性点不接地系统危害更大，对电压的质量影响更大。

虽然低压供电系统的谐波电流很大但谐波电压很小；中压系统的谐波电压很高但谐波电流很小，因此谐波的功率不是很大，一般在几千乏～一百千乏。

从上面分析得出以下结论：

1、谐波激励量往往是不对称的，三相谐波激励量Eja、Ejb、Ejc不相等，三相谐波激励量电流Ija、Ijb、Ijc也不不相等，三相对称激励非常少见。

2、三相振荡衰减过程是一致的，三相谐波衰减电压量Usa、Usb、Usc相等，三相谐波衰减电流量Isa、Isb、Isc相等。

3、系统中也会存在三相对称谐波。

4、谐波的功率很小，几千乏～几十千乏。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明方法可靠、设备结构简单，运行维护方便，是其他谐波治理方法投资的几分之一乃至几十分之一。

                               附图说明

图1为利用本发明方法从系统中分离谐波信号的电路原理图。

图2为利用本发明方法从系统中分离谐波信号的不同实施方式电路原理图。

图3为本发明谐波治理阻抗不同实施方式电路原理图。

图4为本发明设备采用谐波变压器的实施方式原理图

图5为本发明设备采用谐波变流器的不同实施方式原理图。

图6(a)是用于谐波变送器二次侧的三相对称谐波的LC振荡泄放通路电路图，在其支路中串入电阻，用于消耗三相对称谐波的一相或两相谐波能量，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，同时串入电阻防止谐波变送器二次侧绕组对这次谐波短路引起谐波变送器发热。

图6(b)是用于系统一次侧的三相对称谐波的LC振荡泄放通路电路图，将系统的三相对称谐波其中的一相或两相的能量直接泄放到大地。

以下通过具体实施方式，对本发明方法及设备作进一步说明：

                               具体实施方式

本发明方法基于的原理为。

三相电压：

Ua＝Um sin(ωt)+Eja+Usa

Ub＝Um sin(ωt-120°)+Ejb+Usb

Uc＝Um sin(ωt+120°)+Ejc+Usc

三相电流：

Ia＝Im sin(ωt+φ)+Ija+Isa

Ib＝Im sin(ωt+φ-120°)+Ijb+Isb

Ic＝Im sin(ωt+φ+120°)+Ijc+Isc

基频三相电压之和为0：

Um sin(ωt)+Um sin(ωt-120°)+Um sin(ωt+120°)＝0

基频三相电流之和为0

Im sin(ωt+φ)+Im sin(ωt+φ-120°)+Im sin(ωt+φ+120°)＝0

谐波治理变压器的二次侧三相电压分别为：

Una＝K×Ua

Unb＝K×Ub

Unc＝K×Uc

K为变比

二次侧三相电压之和

UΔ＝Una+Unb+Unc＝K×(Eja+Ejb+Ejc+Usa+Usb+Usc)

因此不对称谐波激励量、衰减量均在谐波变压器的二次侧绕组串联的两端反应出来，而三相对称谐波和基频一样为0，因此要消耗系统对称谐波一相或两相的能量，使三相对称谐波转换为三相不对称谐波，其电路原理图如图1，谐波变压器XBYQ的一次侧接入系统，二次侧三相绕组串联即形成三相电压之和，DCXB为谐波变送器二次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，从系统中分离出谐波的电压量。

三相振荡衰减过程是一致的，三相谐波衰减电压量、衰减电流量Isa、Isb、Isc相等，谐波治理阻抗在UΔ作用下，产生与衰减电流量相位相反的电流量反送回电网，两种电流相叠加相互抵消达到治理谐波的目的。

谐波治理变流器的二次侧三相电电流分别为：

Ina＝K×Ia

Inb＝K×Ib

Inc＝K×Ic

K为变比

二次侧三相电流之和

IΔ＝Ina+Inb+Inc＝K×(Ija+Ijb+Ijc+Isa+Isb+Isc)

因此谐波激励量、衰减量均在谐波变流器XBLQ的二次侧绕组并联或串联的两端反应出来，即从系统中分离出谐波的电流量，电路原理图如图2，其中，图2(a)为串联方式，DCXB为谐波变送器二次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波。图2(b)为并联方式，应该注意的是谐波变流器XBLQ的二次侧不能开路，DCXB为一次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波。

三相振荡衰减过程是一致的，三相谐波衰减电压量、衰减电流量Isa、Isb、Isc相等，谐波治理阻抗在IΔ作用下，产生与衰减电压量相位相反的电压量反送回电网，两种电压相叠加相互抵消达到治理谐波的目的。

谐波治理阻抗，阻基波通谐波，或消耗谐波能量，或使通过其的谐波电流或电压与系统谐波电流或电压反相送回系统与谐波电流或电压叠加相互抵消来治理谐波。

如图3，谐波治理阻抗R，其值是根据系统所含谐波的频率进行控制和设置，或为图3(a)所示的电阻，或为图3(b)所示的多个频率的谐波治理支路并联、并且与电阻R串联组成，对应于系统中所存在的某次谐波，与其相应的谐波治理支路被控导通；也可以是如图3(c)所示的高通滤波器与电阻R的串联设置，由高通滤波器阻隔基波，并通过二次以上谐波；还可以是如图3(d)所示的谐波电流反相电路，或如图3(e)所示的谐波电压反相。

如图3(a)、图3(b)和图3(c)中，电阻是根据电网中谐波量的大小来控制消耗谐波量的大小，根据I²R约等于谐波功率来控制。

图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示谐波治理阻抗适用于图1所示的采用谐波变压器XBYQ的谐波变送方式。

图3(a)、图3(e)所示的谐波治理阻抗适用于图2所示的谐波变送器为谐波变流器XBLQ的结构形式。

如图6，三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波。图6(a)是用于谐波变送器二次侧的三相对称谐波的LC振荡泄放通路电路图，其支路中串入电阻消耗三相对称谐波的一相或两相谐波能量，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，同时串入电阻防止谐波变送器二次侧绕组对这次谐波短路引起谐波变送器发热。比如图6(a)中，M、N端接谐波变送器二次侧A相绕组的两端，或M、N端接在谐波变送器二次侧A、B相绕组串联的两端；

图6(b)是用于系统一次侧的三相对称谐波的LC振荡泄放通路电路图，将系统的三相对称谐波其中的一相或两相的能量直接泄放到大地。比如图6(b)中的M端接在系统一次侧的A相(或B相，或C相)，或两条支路的M端分别接在系统一次侧的A、C相(或B、C相，或C、A相)。

实施例1：

如图4是谐波治理变送器为谐波治理变压器的实施例，XBYQ为谐波治理变压器，一次侧接入系统，二次侧三相绕组串联形成三相电压之和，DCXB为二次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，Z为谐波治理阻抗。

实施例2：

如图5是谐波治理变送器为谐波治理变流器的实施例，XBLQ为谐波治理变流器，一次侧串入系统，二次侧三相绕组串联或并联形成三相电压之和，图5(a)为串联形成三相电压之和，DCXB为谐波变送器二次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，图5(b)为并联形成三相电压之和，DCXB为系统一次侧一相上的三相对称谐波的LC振荡泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波；Z为谐波治理阻抗；BHQ为保护器，当谐波治理变流器XBLQ输出的两端电压达到设定之时保护器BHQ自动导通，作用一是防止谐波治理变流器XBLQ的二次侧开路，其二是防止由于Z的值太大时Z两端的电压过高击穿设备，其三是防止当电网发生短路时很大的电流作用在Z上会产生很高的电压击穿设备。

Claims (7)

1、一种电网谐波治理方法，其特征是：

利用谐波变送器从系统中分离出谐波三相电压或三相电流信号之和，以设置在谐波变送器二次侧的阻抗形成的谐波变送器二次侧回路消耗谐波能量，或在谐波变送器二次侧对谐波信号进行反相，再将反相信号经谐波变送器一次侧反馈至系统中抵消系统谐波量，所述谐波为三相不对称谐波；

在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，将系统的三相对称谐波转换为三相不对称谐波，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路。

2、根据权利要求1所述的电网谐波治理方法，其特征是所述三相对称谐波转换为三相不对称谐波是：

在系统一次侧的一相对地、或两相对地、或两相之间设置谐波通路泄放对称谐波；

或在谐波变送器二次侧一相的两端、或两相串联的两端设置谐波通路泄放对称谐波；

或针对系统的一相、或两相，分别设置该相的单相谐波变送器，在所述单相谐波变送器的二次侧接入谐波通路泄放对称谐波。

3、电网谐波治理设备，其特征是：

设置谐波变压器(XBYQ)，所述谐波变压器(XBYQ)的一次侧三相绕组分别接入系统中对应的各相线；所述谐波变压器(XBYQ)的二次侧三相绕组首尾相接而串联形成用于分离谐波三相电压之和的二次侧回路，在所述二次侧回路中或串联接入阻抗，形成消耗谐波能量的谐波变送器二次侧回路；或串联接入谐波电流反相电路，形成谐波信号反馈回路；

设置三相对称谐波转换为三相不对称谐波的转换电路，所述转换电路是在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路。

4、根据权利要求3所述的电网谐波治理设备，其特征是所述阻抗为电阻；或为阻基波滤波电路与电阻串联组成。

5、根据权利要求3所述的电网谐波治理设备，所述阻基波滤波电路为并联设置、且选择导通的各次谐波谐振支路，或为阻基波通谐波的高通滤波器。

6、电网谐波治理设备，其特征是：

设置谐波变流器(XBLQ)，所述谐波变流器(XBLQ)的一次侧串入系统中，所述谐波变流器(XBLQ)的二次侧三相绕组并联或串联设置形成用于分离谐波三相电流之和的二次侧回路，在所述二次侧回路或中串联接入阻抗，形成消耗谐波能量的谐波变送器二次侧回路；或串联接入谐波电压反相电路，形成谐波信号反馈回路；

设置三相对称谐波转换为三相不对称谐波的转换电路，所述转换电路是在系统的一相或二相中，位于系统的一次侧，或位于系统的谐波变送器的二次侧，设置对称谐波泄放通路，所述谐波泄放通路是与某次谐波对应的LC谐振电路。

7、根据权利要求6所述的电网谐波治理设备，其特征是所述阻抗为电阻。

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