一种多谐波源谐波隔离装置 【技术领域】
本发明涉及一种谐波治理技术， 尤其涉及一种多谐波源谐波隔离装置。背景技术 在现代工业和民用供电系统中， 由于存在大量非线性负载， 例如 ： 电弧炉、 感应炉、 电力机车、 整流设备、 变频设备、 日光灯、 气体放电灯以及其它含有大功率半导体器件或电 弧、 铁磁设备等非线性负荷， 在电网中就会产生相应的非线性电流 ； 而非线性电流在电网阻 抗上产生压降， 使供电电压波形发生畸变， 变为非正弦波 ； 非正弦波可分解为 50Hz 的工频 基波和许多整数倍于基波的谐波 (2 次、 3 次、 4 次、 5 次，…… )。其中谐波对电网和电气设 备将产生不良影响， 其主要危害如下 ：
①使公用电网中的元件产生附加谐波损耗， 降低了发电、 输电及用电设备的使用 效率 ；
②影响各种电气设备的正常工作， 如使电动机引起附加损耗、 产生机械震动、 噪声 和过电压， 使变压器局部严重过热、 绝缘老化、 寿命缩短以至损坏 ；
③引起电网局部的并联谐振和串联谐振， 引起电网严重事故 ；
④对邻近的通信系统产生干扰， 轻者引起噪声、 降低通信质量， 重者导致信息丢 失、 干扰通信系统正常工作 ；
⑤导致继电保护和自动装置误动作， 使电气测量仪表不准确， 直接影响正常生产 和电网的安全经济运行。
为了限制谐波对电网和电气设备的不良影响， 我国制定了相应的国家标准 ： 《电能 质量公用电网谐波》 GB/T 14549-1993。
目前， 国内外普遍采用的谐波治理装置有两类 ：
一类是基于调谐吸收谐波电流原理的无源滤波装置。 它由线性无源器件——电感 L、 电容 C、 电阻 R 所构成的若干个不同次数的谐波滤波器并联而成。 各次谐波滤波器在本次 谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗， 吸收相应的谐波电流， 从而使电网中的谐 波电流减少 ； 当 LC 回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时， 即可阻止该次谐波流 入电网， 达到抑制谐波的目的。
另一类是基于瞬时无功功率理论的谐波电流抵消原理的有源滤波装置。 它利用可 控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、 相位相反的电流， 使电源的总 谐波电流为零， 达到实时补偿谐波电流的目的。
由于无源滤波装置具有投资少、 效率高、 结构简单、 运行可靠及维护方便等优点， 同时， 还能补偿一定数量的无功功率， 所以目前无源滤波装置仍然是国内外电力系统抑制 谐波的主要手段。 但它也存在一些固有的缺陷 ： ①只能抑制固定的几次谐波， 并对某次谐波 在一定条件下会产生谐振而使谐波放大 ； ②只能补偿固定的无功功率， 对变化的无功负载 不能进行精确补偿 ； ③无源滤波装置有效材料消耗多、 体积大 ； ④滤波要求和无功补偿、 调 压要求有时难以协调 ； ⑤滤波效果易受元件或系统参数、 以及电网频率等变化的影响 ； ⑥
在某些条件下可能和系统发生谐振， 引发事故 ； ⑦当谐波源增大时， 滤波器负担随之加重， 可能导致因谐波过载不能运行等。
有源滤波装置是 20 世纪 80 年代后， 随着新型电力半导体器件的出现， 脉宽调制技 术 (PMW) 的发展， 以及基于瞬时无功功率的理论的谐波电流检测法的提出而产生的一种新 型滤波装置， 与无源滤波器 (Power Filter) 相比， 有源滤波器 (APF， Active Power Filter) 具有高精度可控性和快速响应性 ； 不仅能补偿各次谐波， 还可抑制闪变、 补偿无功 ； 滤波特 性不受系统阻抗的影响， 可消除与系统阻抗发生谐振的危险 ； 可自动跟踪负荷的变化， 具有 动态谐波等无源滤波器所不具备的巨大技术优势。 但有源滤波装置存在以下问题限制了其 使用 ：
①有源滤波装置成本高， 与无源滤波装置相比， 设备的初期费用偏大。据文献记 载， 目前这两者的费用比大约在 7 ∶ 1 左右。 但从长远来看， 随着电力电子器件价格的下降， 这个比值会随着技术的成熟而大幅下降 ；
②有源滤波装置自身损耗大， 滤波容量小。据文献记载， 与无源滤波装置相比， 有 源电力滤装置的损耗要达到 50 ～ 90W/kVA， 大约是无源滤波装置 (2 ～ 4.5W/kVA) 的 20 倍。 较高的损耗， 即妨碍设备容量的进一步提高， 也增加了运行成本。 ③有源滤波装置工作在高频状态下产生的较大的电磁干扰和电磁元件发热。
目前， 有时可以将上述两类装置混合使用， 取长补短。 但对于具有丰富的谐波含量 的非线性负荷 ( 谐波源 ) 的滤波， 无源滤波装置需要设计更多次滤波器， 其成本高、 损耗大。 有源滤波装置也需要更高的检测和响应速度。 然而， 在这种情况下， 现有的无源滤波装置和 有源滤波装置的谐波治理效果都不佳。 在许多场合下， 虽然采用了滤波措施， 但监测点的谐 波含量仍然超标。
发明内容 本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足， 提供一种多谐波源谐 波隔离装置， 将滤波效果不好、 具有丰富谐波含量的谐波源进行有效隔离， 使不含谐波源的 负荷的供电电压质量符合国家电压质量标准的要求。
本发明的目的是这样实现的。
1、 单谐波源谐波谐波隔离装置包括谐波阻尼单元、 谐波选通单元、 滤波与无功调 整单元、 含谐波源的待隔离端口和不含谐波源的已隔离端口 ；
含谐波源的待隔离端口、 谐波阻尼单元、 谐波选通单元和不含谐波源的已隔离端 口依次连接， 滤波与无功调整单元和不含谐波源的已隔离端口并联 ；
谐波阻尼单元和谐波选通单元分别由感抗和容抗构成， 其工频感抗与工频容抗相 等；
滤波与无功调整单元由电抗器和电容器串联而成。
2、 多谐波源谐波隔离装置由 n 个单谐波源谐波隔离装置组成， 且一个单谐波源的 谐波隔离装置对应隔离一个待隔离的谐波源。
特别地， 集中安装的多谐波源谐波隔离装置将所有的已隔离端口并联在一起形成 公共已隔离端口 50， 公共已隔离端口 50 的两个接线端子 Y10 和 Y20 作为净化供电区的接线 端。
发明特点和效果
与现有的滤波装置相比， 本谐波隔离装置具有下列优点和积极效果 ：
1、 结构简单、 安全性好、 损耗小、 节能效果明显， 适用于谐波源就地隔离， 减少谐波 源谐波污染的范围。
采用现有的无源滤波装置， 一般需要多个单谐滤波器构成， 为了减少设备投入， 通 常将滤波装置固定接入母线上， 而不放置谐波源所在地， 各单谐滤波器对不同的频率具有 不同的频率特性， 彼此之间以及与系统之间存在相互影响。 对工频而言， 各次单谐滤波器会 呈容性电抗， 在轻负荷、 谐波较小的情况下， 将会导致滤波装置向系统倒送无功功率， 使母 线电压抬高， 系统电流加大， 这一方面影响系统的安全运行， 另一方面， 增加了系统的功率 损耗。
本谐波隔离装置只有一个单谐支路和一个补偿支路， 单谐支路和补偿支路相互独 立， 没有直接影响。对工频而言， 单谐支路的电压降很小， 接近零， 所以功率损耗也小。补偿 支路的无功功率可控， 不会产生向系统倒送无功功率， 使母线电压抬高、 系统电流加大的现 象。
2、 对广谱谐波 ( 谐波次数很多 ) 的谐波隔离效果好。
采用现有的无源滤波装置， 对广谱谐波 ( 谐波次数很多 ) 的滤波效果较差， 一方 面， 需要许多个单谐滤波器， 使设备投资和运行费用加大， 另一方面由于单谐滤波器品质因 素 Q 的影响， 使各次谐波的滤波效果不佳 ； 由于谐波次数很高， 因此， 累加起来的电压和电 流谐波总畸变率就较大， 往往超过有关国家标准。
本谐波隔离装置的谐波阻尼单元和谐波选通单元让工频电压和电流顺利通过， 而 将高于工频的各次谐波大部分隔离在谐波阻尼单元上， 再经过滤波与无功调整单元滤去一 部分剩余谐波， 因此进入已隔离端口的谐波含量较小。
3、 对系统参数的影响小， 而且谐波隔离与无功补偿相对独立、 可控性好， 既可有效 隔离谐波， 又可有效提高功率因数。
本谐波隔离装置的谐波阻尼单元和谐波选通单元与滤波与无功调整单元采用 “T” 结构， 与负荷直接相连接， 而不是简单的串联或并联结构， 因此对系统参数的影响小 ； 而且， 谐波阻尼单元和谐波选通单元的参数相对固定， 滤波与无功调整单元的参数可以根据负荷 的变化而调整， 这种调整对谐波阻尼单元和谐波选通单元不产生不利影响， 具有相对独立、 可控性好。
4、 可对多谐波源进行谐波隔离， 并提供电压净化供电区。
对于具有多个谐波源的系统， 例如 ： 配电变压器的系统侧含有超标的谐波， 负荷侧 谐波含量也超标， 此时， 采用无源滤波装置是很难将谐波含量低于相应的国家标准， 因为无 源滤波装置是并联接入母线上， 系统和负荷共母线， 无法提供额外的净化供电区。
本谐波隔离装置的提供了一个公共的隔离后的净化供电区， 该区的谐波含量可控 制到低于国家相应的标准。
总之。 本发明既可以有效隔离谐波， 又可以提高功率因数， 用于供用电系统的电能 质量的改善与节能， 具有结构简单、 经济实用的特点。 附图说明图 1 为单谐波源谐波隔离装置结构框图 ； 图 2 为集中安装的多谐波源谐波隔离装置结构框图。 其中 ： 10- 谐波阻尼单元， 11、 12、……、 1n- 第 1、 第 2、……、 第 n 谐波阻尼单元 ； 20- 谐波选通单元， 21、 22、……、 2n- 第 1、 第 2、……、 第 n 谐波选通单元 ； 30- 滤波与无功调整单元， 31、 32、……、 3n- 第 1、 第 2、……、 第 n 滤波与无功调整单元 ； 40- 待隔离端口， 41、 42、……、 4n- 第 1、 第 2、……、 第 n 待隔离端口 ； 50- 已隔离端口。具体实施方式
下面结合附图和实施例， 对本发明单谐波源和多谐波源的谐波隔离装置详细说 明： 一、 总体
1、 单谐波源的谐波隔离装置
如图 1， 单谐波源的谐波隔离装置包括谐波阻尼单元 10、 谐波选通单元 20、 滤波与 无功调整单元 30、 含谐波源的待隔离端口 40 和不含谐波源的已隔离端口 50 ；
谐波阻尼单元 10 的一端接含谐波源的待隔离端口 40 的一端 W10， 谐波阻尼单元 10 的另一端接谐波选通单元 20 的一端， 谐波选通单元 20 的另一端接已隔离端口 50 的一端 Y10 和滤波与无功调整单元 30 的一端， 滤波与无功调整单元 30 的另一端接已隔离端口 50 的另一端 Y20 和待隔离端口 40 的另一端 W20。
含谐波源的待隔离端口 40 的电压和电流经过谐波阻尼单元 10 和谐波选通单元 20 构成工频的串联谐振通道， 将大量的工频电压和电流传输到无谐波源的已隔离端口 50， 大 量的谐波电压和电流滤波被隔离在谐波阻尼单元 10 ； 此时， 滤波与无功调整单元 30 滤去部 分谐波， 进一步减少传入已隔离端口 50 的谐波， 同时， 根据负荷的变化调整无功功率， 使调 整点的功率因数到不低于 0.9。
2、 多谐波源的谐波隔离装置
多谐波源的谐波隔离装置由多个单谐波源的隔离装置组成， 或将多个单谐波源的 隔离装置分散安装， 或将多个单谐波源的隔离装置集中安装。
集中安装的多谐波源的谐波隔离装置是将各个已隔离端口 50 并联起来即可 ； 并 联的已隔离端口作为净化电源向线性负荷供电， 各待隔离端口 40 分别接入含谐波源的一 侧。
假设存在 n( 自然数 ) 个谐波源。
如图 2， 集中安装的多谐波源的谐波隔离装置由 n 个单谐波源的谐波隔离装置组 成；
第 1、 第 2、……、 第 n 谐波阻尼单元 11、 12、……、 1n 分别与第 1、 第 2、……、 第
n 待隔离端口 41、 42、……、 4n 连接 ；
所有的已隔离端口 50 并联在一起， 已隔离端口 50 的两个接线端子 Y10 和 Y20 作 为净化供电区的接线端。
具体地说 ：
第 1 谐波阻尼单元 11 的一端接含谐波源的第 1 待隔离端口 41 的一端 W11， 第1谐 波阻尼单元 11 的另一端接第 1 谐波选通单元 21 的一端， 第 1 谐波选通单元 21 的另一端接 已隔离端口 50 的一端 Y10 和第 1 滤波与无功调整单元 31 的一端， 第 1 滤波与无功调整单 元 31 的另一端接已隔离端口 50 的另一端 Y20 和第 1 待隔离端口 41 的另一端 W22 ；
第 2 谐波阻尼单元 12 的一端接含谐波源的第 2 待隔离端口 42 的一端 W12， 第2谐 波阻尼单元 12 的另一端接第 2 谐波选通单元 22 的一端， 第 2 谐波选通单元 22 的另一端接 已隔离端口 50 的一端 Y10 和第 2 滤波与无功调整单元 32 的一端， 第 2 滤波与无功调整单 元 23 的另一端接已隔离端口 50 的另一端 Y20 和第 2 待隔离端口 24 的另一端 W22 ；
……
第 n 谐波阻尼单元 1n 的一端接含谐波源的第 n 待隔离端口 4n 的一端 W1n， 第n谐 波阻尼单元 1n 的另一端接第 n 谐波选通单元 2n 的一端， 第 n 谐波选通单元 2n 的另一端接 已隔离端口 50 的一端 Y10 和第 n 滤波与无功调整单元 3n 的一端， 第 n 滤波与无功调整单 元 3n 的另一端接已隔离端口 50 的另一端 Y20 和第 n 待隔离端口 4n 的另一端 W2n。 二、 主要功能块
1、 谐波阻尼单元 10 和谐波选通单元 20
谐波阻尼单元 10 和谐波选通单元 20 分别由感抗和容抗构成， 选择工频感抗与工 频容抗相等， 使谐波阻尼单元 10 和谐波选通单元 20 之间的工频电压降很小， 接近零， 而高 于工频的谐波电压降较大， 从而起到隔离部分谐波的作用。
2、 滤波与无功调整单元 30
滤波与无功调整单元 30 由电抗器和电容器串联而成， 电抗器起抑制谐波的作用， 电容器起滤波的无功补偿的作用。
三、 实例
1、 如图 1， 一个 10kV 供电系统， 含一个谐波源 ； 采用单谐波源的谐波隔离装置前， 谐波待隔离端口 40 的电压谐波总畸变率为 58.9％， 负荷有功功率为 1000kW， 无功功率为 1000kVar， 功率因数为 0.707 ； 采用单谐波源的谐波隔离装置后， 谐波隔离装置的电路参数 为： 谐波阻尼单元 10 的电抗器的电阻为 1 欧， 电感量为 (120/314) 亨， 谐波选通单元 20 的 电容器的电容量为 1/(120*314) 法拉， 在 50Hz 工频下谐波阻尼单元 10 电抗器的感抗与谐 波选通单元 20 的容抗相等。滤波与无功调整单元 30 的电感量为 (120/314)*0.06 亨， 电容 量为 1/(120*314) 法拉。谐波已隔离端口 50 的电压谐波总畸变率为 3.8％ ( 国标为 5％ )， 谐波隔离和补偿后的功率因数为 0.976。
2、 如图 2， 一个 10kV 供电系统， 含两个谐波源， 采用多谐波源的谐波隔离装置前， 第 1 谐波待隔离端口 41 的电压谐波总畸变率为 57.9％， 第 2 谐波待隔离端口 42 的电压谐 波总畸变率为 25.5％， 负荷有功功率为 1000kW， 无功功率为 1000kVar， 功率因数为 0.707 ； 采用两谐波源的谐波隔离装置后， 两个谐波源的谐波隔离装置的电路参数为 ： 第 1、 2 谐波 阻尼单元 11、 12 的电抗器的电阻为 2 欧， 电感量为 (300/314) 亨， 第 1、 2 谐波选通单元 21、
22 的电容器的电容量为 1/(300*314) 法拉， 在 50Hz 工频下第 1、 2 谐波阻尼单元 11、 12 电抗 器的感抗与第 1、 2 谐波选通单元 21、 22 的容抗相等。第 1、 2 滤波与无功调整单元 31、 32 的 电感量为 (240/314)*0.06 亨， 电容量为 1/(240*314) 法拉。谐波已隔离端口 50 的电压谐 波总畸变率为 3.6％， 谐波隔离和补偿后的功率因数为 0.994。