风力发电整流过程谐波抑制论文 风力发电谐波对电力系统的影响及解决方案

来源:计划方案 发布时间:2019-04-24 05:42:33 点击:

  摘要: 本文从“谐波”这一概念的含义及特点入手,分析了其在旋转电机、静止电力设备等方面对电力系统的影响,并从增加整流器的脉波数、注入谐波电流、并联滤波器等方面提出了解决方案。
  关键词: 风力发电;谐波;电力系统;影响
  
  
  一、谐波概述
  “谐波”这一名词起源于声学,在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循环(或基波)颠率的倍数频率振动。对电气信号也与此相仿,谐波被定义为一个信号量,该信号的频率是实际系统频率(即发电机所产生的频率)的整数倍。
  用示波器显示一个复杂的信号,是在时域中观察倍号的形状,亦即对任意给定的瞬间显示出波形的大小。若同一信号加在高灵敏的放大器上,则耳朵听到的合成声音是诸频率的混合信号,因而波形可用其时域或其频域的数据来描述。
  我们知道,只有畸变的波形持续无限的周期数时,才能完善地应用这种变换。实际情况并非如此,因为负载变动将会改变系统谐波的含量,但是,只要所分析的条件持续相当的时间,这一问题就不准解决。因此,必须在谐波和暂态波之间加以区别,谐波是波形保持不变,暂态波是波形逐个周期有明显的变化。
  谐波对基频波的相角关系在决定波形时是重要的。虽然在声学中通常认为听力效应不受这种相角关系的影响,对于电气信号则并非如此,由不同来源产生之同一谐波,其位置和相对相位之变化可能显著地改变其总的效应。
  二、风力发电谐波对电力系统的影响
  (一)谐波对旋转电机的影响
  1、谐波损耗
  谐波电压或电流在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子的铁心中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系,定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大些。
  谐波电流在定子和转子端部绕组中建立的漏磁场产生额外的损耗。在具有斜槽转子的感应电机的情况下,定于和转子中磁通是变化的,产生的高频会引起铁损,损耗的大小与斜槽的数量以及钢片的铁损待性有关。
  谐波产生的附加损耗对交流电机的影响最严重,电机承受额外谐波损耗的能力和总附加损耗与整个电机温升和局部过热(可能是转子)有关。鼠笼转于感应式电机允许较高的转子损耗和温度,只要定子温度不超过允许范围即可,有绝缘转子绕组的电机可能受到的限制更多。对发电机,连续的负序电流限制到约为额定电流的10%,而对感应电动机,负序电压限制到约为额定电压的2%,由这些事实可以得出允许谐波存在的某些范围。如果谐波量超过这些负序限值,则发生问题是在预料之中的。
  2、谐波转距
  对各次谐波可以推出感应电动机的等值电路,如图1所示,其中所有参数皆与绕组电流的实际频率相对应。
  
  在交流电机定子中的谐波电流会产生感应电动机作用(即正谐波滑差)。电动机作用在谐波磁场速度的同一方向上产生轴转距,所有的正序谐波会产生有助于轴旋转的轴转矩,而负序谐波会产生相反的作用。
  对于谐波电流而言,在谐波速度下的每相转矩为,折算到基波速度则为
  符号n决定转矩的方向。
  因为近似于1.0,所以上式可写为
  、为标幺值。
  利用关系式和,转矩可以用电压来表示,即
  
  因为对谐波频率的滑差几乎是1,实际上由每单位谐波电流所产生的转短是很小的,这小的转矩以成对的形式出现而导致互相抵消。这些影响示于图2。所以谐波对平均转矩的影响在大多数情况下可以忽略不计,
  虽然谐波对平均转短的影响很小,但它们会产生较大的转矩脉冲。
  
  图2转子的谐波转矩和电流
  (二)谐波对静止电力设备的影响
  1、输电系统
  流入电网的谐波电流产生两个主要的影响:
  其一是因为增加了电流波形的有效值而引
  
  起的附加输电损耗,即
  
  式中,为n次谐波电流,为系统在该谐波频率下的电阻。
  其二是谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。
  事实上这意味着,一个弱的系统(大的阻抗值和低的故障水平)会比一个刚性系统(高的故障水平和低的阻抗)有较大的电压扰动。
  在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响缩短了电缆的使用寿命,还增加了事故次数和修理费用。
  谐波对电晕起始和熄灭的影响是峰―峰电压的函数。峰值电压与谐波和基波的相角关系有关,所以即使有效值电压在限值以内而峰值电压高出额定值也是可能的。
  2、变压器
  谐波电压的存在增加了变压器磁滞和涡流损耗以及绝缘的电场强度,谐波电流增加了铜损,这一影响对整流变压器更为重要,因为滤波器不能作用于整流变压器,它一般是装在交流系统侧的。除谐波产生额外的容量之外,整流变压器常常在外壳上产生意外的热点。
  和电力变压器特别有关的一个重要的影响是三次倍数的零序电流在接法的绕组内的环流。这一额外的环流可能使绕组电流超过额定值,除非在设计时有所考虑。
  对于带非对称负荷的变压器而言,应有另一重要的考虑。若负荷电流含有直流分量,引起变压器磁路饱合,会大大增加交流激碰电流的谐波分量。
  3、电容器组
  电压畸变在电容器中产生额外的电力损耗,以下式表示
  式中,是损耗因数,,为n次谐波电压的效值。
  再者,包括基波和谐波在内的总无功功率
  
  不应超过额定无功功率,即Q=
  
  电容器和系统的其它部分之间的串联和并联谐振可以引起过电压和过电流,从而大大增加电容器的损耗和过热,而且常常导致电容器的损坏。
  (三)谐波对纹波控制系统的干扰
  纹波控制常用于街道照明电路的遥控以及白天峰值负荷时间的减负荷(如家用热水加热器)的遥控。
  供电局常遇到由谐波干扰其纹波控制设备而造成的某些实际困难。
  因为纹波继电器基本上是电压型(高阻抗)的设备,所以如果谐波电压足够大,其干扰可引起信号阻塞或继电器误动。多大的电压谐波会影响继电器取决于继电器检测回路的灵敏度和其选择性,还有纹波注入频率和干扰谐波频率的接近程度。
  信号闭锁是因为干扰电压很大,使继电器不能检测出规定的信号。电容器由于具有吸收纹波信号的特性会产生同样的效果。继电器误动是出现了引起继电器改变状态的谐波电压(一船在无信号时)所致。在现代的纹波纪电器中通过采用编码的开关信号已有效地解决了这问题。
  早期的纹波继电器是采用机械滤波装置的机电式设备,虽然其灵敏度低,却有良好的选择性。但是这些继电器经常受到误动作之苦,因为它们的信号编码不足以应付通过滤波器的任意的谐波干扰。
  现代的纹被继电器基本上是其机电式前身的电子等值器。它们一般采用压电或有源滤波电路和高度的信号编码以将误动作降到最小。它们具有国际标准规定的滤波响应曲线,而且要求使用精确的电子元件(高稳定度和可靠性),以保证在继电器的使用期间内有满意的性能。
  未来的纹波继电器几乎肯定会采用效数字滤波技术,在有谐波电压存在时,数字滤波器能理想地检测出规定频率的信号。
  (四)谐波对电力系统保护的干扰
  谐波能够改变保护继电器的动作特性,这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时,依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。
  在大多数情况下,动作特性的变化不大而且不成为问题,进行的试验表明,对大多数类型的继电器而言,当谐波水平小于20%时,其动作受到的影响不明显。但是随着大的电力换流器的增加,这一情况在将来可能会变化。
  在正常情况和故障情况下发生的问题是不同的,将分别考虑。
  1、故障状态时的谐波问题
  继电器的保护功能一般是按基波电压和/或电流项来设计的,在故障波形中出现的任何谐波或者滤除或者略去不计。对于机电式继电器来说,后一种情况是特别真实的,特别是过电流保护继电器。机电式继电器的惯性较大,所以它们对较高次的谐波的灵敏度低。
  较为重要的是谐波频率对阻抗测量的影响,距离继电器的整定以输电线的基波阻抗作为根据,在故障情况时谐波电流(特别是3次谐波)的存在会引起相当大的误差。
  在故障电流流经高电阻率大地,亦即大地阻抗占主要部分的地方,高次谐波量是常见的,所以误动作的可能性很大,除非只取基波波形。
  在永久故障时,基波分量是故障电流的主要成分(尽管伴随故随波形有直流不对称),但是因为电流互感器饱和的关系,副方感应的电流波形会发生畸变,特别是原方有较大的直流偏移时。在这种情况下副方谐波的出现可能是个实际的问题,亦即只要电流互感器发生饱和,就很难保持基波电流波形。
  在稳态条件下,只要互感器副方有较高的电动势,非线性的电流互感器的励磁阻抗会引起奇次谐波畴变;当暂态条件下饱和时,会感生2次和3次谐波为主的任何的谐波。
  幸亏这些只是设计时碰到的问题,按系统要求正确地选择设备可以消除很多随仪表互感器而出现的问题。
  在数字保护系统中,经过滤波的电流和电压波形对距离保护持别重要。相关人员谈论了某些可用的数字滤波技术,尽管实用起来不那么容易,但是采用数字滤波技术容易得到真实的基波数据。
  2、故障状态之外的谐波问题
  继电保护对正常系统负荷的灵敏度很低说明,在非故障条件时电力系统的谐波量不成为问题。
  最明显的例外可能是在电力变压器充电时所遇到的问题。实际上,可积极利用大的励磁涌流的谐波量以防止变压器的保护因充电时所遇见的特大的峰值而将高压断路器切断(大部分时间)。
  涌流实际的峰值与变压器的铁心电感、绕组的电田以及操作发生在电压波形上的点有关。操作前铁心内的残余磁通同样可增加或减轻涡流的峰值,这与磁通对起始瞬间电压的极性有关。
  因为在充电时副方电流为零,大的涌流必然会引起差动保护动作,除非使其变得不动作,简单的办法是采用时延差动接线,但是若在充电时有故障,这会严重损坏变压器。
  实际上,是利用涌流时出现的非特征2次谐波分量以限制保护,但当充电时若有内部故障,则保护仍然是有效的。
  
  三、解 决方案
  
  (一)增加整流器的脉波数
  整流装置是供电系统中的主要谐波源,其在交流侧所产生的高次谐波为pk±1改谐波,而在直流侧产生pk次谐波,在理想的情况下,脉波数和谐波次数的关系如表1。
  从表1可知,整流装置从6脉波增加到12脉波时,谐波次数n=12k士1(k=I、2、3……正整数),就可以消除5、7、17、l 9…等次谐被,并且谐波电流的有效值与谐波次数成反比。由上可见,增加整流器的相数,可以比较有成效地消除低次谐波。增加整流相数的途径有两种,其一是采用特殊接线方式,使整流变压器形成多相整流,另一种方法是将相数少的整流变压器,联结成等效的多相形式。
  图3为采用相移变压器的多相整流原理及矢量图,采用曲折法接线加移相线圈,可以构成多相整流,得到所需要的电压大小和相位。但当变压器容量较大时,制造工艺将十分困难。
  两台6脉波整流器接于同一母线上时,采用丫/丫和/丫或者Y/丫和Y/的接线方式,便可得到12脉波数的整流装置,同样采用一台Y/Y/联接的三绕组变压器也可以得到上述效果,两台变压器的联接可以采用串联供电方式,也可以用并联供电方式,如图4a、b所示。
  从上所述,等效多相系统,都是在6相基础上,利用变压器绕组丫和的接法的不同组合,或增加移相绕组来构成,因此,只有当各整流器组接线准确、负荷相等,且控制角相等时,才能完全消灭低次谐波,否则,谐波电流得不到完全补偿。
  
  (二)注入谐波电流
  这个方法的基本原理是向变压器第三绕组注入补偿电流来抵消变压器铁心中的谐波磁通,图5是这种方法的原理图。图中是一个滤波器,其作用是滤去送到变压器二次侧电流中的基波成分,得到的谐波电流经过放大器放大后送入第三绕组,产生和二次侧电流同样的磁势,放大器A
  
  的放大倍数为,、、分别为变压
  
  器T的一次、二次和第三次绕组的匝数,Q为补偿绕组,k为电流互感器TA的变比,如果补偿完善的话,磁通中的谐波成分可以完全抵消,不会有谐波进入电网。
  TA―电流互感器U―整流器
  A―放大器、―滤波器
  T―三绕组变压器
  这种方法的一个优点是它能够将非特征谐波如3次、9次谐波考虑在内。其缺点是需要有一个大功率的反馈放大器,才能有效地消除较低次谐波。
  另一种谐波电流注入法事将外加的3次谐波叠加在方波上,如图6所示,以此来消除所给定运行点的某些谐波。
  
  (三)并联滤波器
  上面是从改造非线性负荷本身来消除和抑制其注入供电系统的高次谐被,尽管如此,由于晶闸管装置各相之间的负载不平衡,或者供电系统的运行方式改变,晶闸管装置控制角较大等原因,均可能出现幅度较大的低次谐波或者总的谐波含量增加等情况,以致使供电系统母线上的电压或电流的畸变率超过国家规定的标准,这就需要安装滤波器来抑制高次谐波。
  滤波器抑制高次谐波的基本原理是利用电路谐振的特点,在图7R、L、C串联的电路中,设谐波源的电压为,为谐波角频率,为谐波源电压有效值,其
  复数阻抗
  
  若满足时,则电路中的Z将达到最小值,这时电流将有最大值,因此,电感上的电压为,而电容上电压为。
  
  从上可见,两者大小相等,方向相反,因而在谐振时,可以将图中A、B两点看成是短路,对于作谐振频率,它的阻抗则可能比R大得多。其阻抗的频率特性如图8所示,在滤波器的频率时为谐振点,此点阻抗最小,利用这一点,很容易作到滤去其一次高次谐波,此时,滤波器的阻抗与电阻相等,阻抗角为45°,阻抗的幅值为R,这种将谐振电路的谐振点调到其一个固定频率所构成的滤波器(例如:5、7、……谐波)称为单调谐滤波器。
  
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  作者简介:
  [1]王永明男1976年出生工学硕士空军原向涛籍贯:黑龙江省阿城市 出生日期:1969年10月 牡丹江电业局工程师研究方向:电力系统。赵先臣籍贯:山东省梁山市 出生日期:1973年4月牡丹江电业局助理工程师研究方向:电力系统。

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