電力系統中的諧波問(wèn)題及其解決方法

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線(xiàn)性負載發(fā)射的。開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)、調速電機及驅動(dòng)、復印機、個(gè)人電腦、激光打印機、傳真機、電池充電器以及UPS等都屬于非線(xiàn)性負載。單相非線(xiàn)性負載在現代辦公大樓中較為常見(jiàn)，而三相非線(xiàn)性負載則普遍存在于工廠(chǎng)和工業(yè)車(chē)間里。

　　多數配電系統上的大部分非線(xiàn)性電力負載來(lái)自SMPS設備。比如，所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線(xiàn)性電源會(huì )產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統，將影響連接在同一電源上的其他設備。

　　多數電力系統可以容忍一定程度的諧波電流，但當諧波在總負載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì )出現問(wèn)題。隨著(zhù)這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統，它們會(huì )造成通信錯誤、過(guò)熱和硬件受損，比如：

　　配電設備、電纜、變壓器、備用發(fā)電機等過(guò)熱

　　諧波阻抗造成的高電壓和環(huán)流

　　發(fā)熱并浪費電能的高中性線(xiàn)電

　　因電壓失真嚴重導致設備故障

　　增大了連接設備中的內部能耗，造成元器件失效并縮短使用壽命

　　支路斷路器偽跳閘

　　計量錯誤

　　配線(xiàn)和配電系統失火

　　發(fā)電機失效

　　高振幅系數及有關(guān)問(wèn)題

　　降低系統功率因數，導致可用功率減小(kW對kVA)和每月電費處罰

　　諧波技術(shù)概覽

　　諧波是頻率達基頻整數倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那么第2諧波為120 Hz，第3諧波為180 Hz等(見(jiàn)圖1)。當諧波頻率占主導時(shí)，配電盤(pán)和變壓器會(huì )與高頻諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成機械共振。發(fā)生這種情況時(shí)，配電盤(pán)或變壓器會(huì )振動(dòng)并針對不同諧波頻率發(fā)出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統中最為常見(jiàn)的頻率范圍。

　　圖1 電流波形的諧波失真

K級干式變壓器在電氣環(huán)境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設計中的最新進(jìn)步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。

　　諧波減緩式變壓器(HMT)用于處理電氣系統的非線(xiàn)性負載。該變壓器利用電磁減輕技術(shù)專(zhuān)門(mén)處理三倍序號(第3、9、15…..)諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環(huán)流。該變壓器也通過(guò)使用相轉移處理第5和第7諧波。

　　利用這兩種電磁技術(shù)，HMT允許負載按照其廠(chǎng)家設計的方式工作，同時(shí)將諧波對能耗和失真的影響降至最低。多數HMT超過(guò)了NEMA TP-1效率標準，即使在使用100%非線(xiàn)性負載進(jìn)行檢測時(shí)。只要規定了K級變壓器，等效HMT就可以作為直接代用品。

　　使用HMT的主要優(yōu)點(diǎn)

　　防止非線(xiàn)性負載造成的電壓平頂

　　減小上游諧波電流

　　消除變壓器過(guò)熱和工作溫度過(guò)高

　　消除一次繞組環(huán)流

　　通過(guò)減少諧波損耗達到節能

　　維持高能效，即使在非線(xiàn)性負載較為嚴重的情況下

　　處理K級變壓器不能解決的電力質(zhì)量諧波問(wèn)題

　　適合K系數較高的負載，而不會(huì )增大涌入電流

　　提高功率因數

　　其他諧波減輕方法

　　首次設計數據中心時(shí)，HMT是變壓器的首選。然而，如果現有數據中心存在諧波問(wèn)題，可使用鋸齒形自動(dòng)變壓器限制三倍序號諧波及第5、第7諧波的影響。

　　鋸齒形自動(dòng)變壓器是一種只有一次繞組而沒(méi)有二次繞組的中性形成變壓器。每個(gè)鐵芯有兩個(gè)一次繞組，它們按相反方向繞線(xiàn)，對正常相電流提供了較高的阻抗。

　　當靠近負載放置時(shí)，鋸齒形自動(dòng)變壓器可以捕獲三倍序號諧波。這種自動(dòng)變壓器的規格必須大到足以處理諧波。三倍序號諧波將僅限于自動(dòng)變壓器和該負載，從而防止上游配電設備遇到諧波。然而，自動(dòng)變壓器不能用于把電壓改為與電源(電壓)不同的水平。

　　可以通過(guò)上述自動(dòng)變壓器與一條二次饋線(xiàn)并聯(lián)來(lái)消除三倍序號諧波、第5、第7諧波。這條饋線(xiàn)一般由不同電源供電。自動(dòng)變壓器和這條二次相轉移電源一起共同捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。這種應用相當棘手，因為這兩個(gè)電源都要承載平衡負載，才能有效捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。

　　但這兩種應用對于消除有害諧波十分有效。然而，安裝單臺諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設備最具成本效益的方法。

　　小結

　　諧波電流對配電系統極其饋電的設施具有重大影響。在規劃系統擴建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。此外，確定非線(xiàn)性負載的規模和位置也是所有維護、故障排除和修理計劃的重要組成部分之一。

所有周期波都會(huì )隨各種頻率的正弦波產(chǎn)生。傅里葉定律把一個(gè)周期波分解為其分量頻率。

　　諧波分量：較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波

　　圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

　　信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度(見(jiàn)圖3)。

　　圖3 總諧波失真