Гармоники - это нежелательные положительные значения частоты, кратные основной частоте выходного переменного тока солнечного инвертора и электроники. Они создают помехи в системе, которые изменяют и искажают форму волны переменного тока. Таким образом, чистый сигнал переменного тока не содержит гармоник и представляет собой идеальную синусоиду. Гармоники также вызывают определенные явления в системе, которые отрицательно влияют на ее работу, например, резонанс, нагрев, повышенный поверхностный эффект в катушечных устройствах, сбои в работе защитного оборудования на стороне сети, дополнительные потери в сети, возникновение токов нулевой последовательности и т.д. - Все это вызвано такими гармониками.
Важно количественно оценить влияние гармоник, чтобы их можно было устранить. Здесь используется второй термин: общее гармоническое искажение (THD). THD - это отношение среднеквадратичного значения общего искажения, вызванного всеми гармониками, к среднеквадратичному значению основной волны. Результирующее значение показывает процентную долю системного сигнала, содержащего гармонические искажения. В идеале THD должен быть равен нулю, но это никогда не достигается.
Рисунок 1: Как третья гармоника искажает основную форму сигнала. THD = 30%:
Откуда берутся гармоники?
Воздействие нелинейной нагрузки на современные промышленные электродуговые печи, конверторы, серверы центров обработки данных и бытовые светодиодные светильники искажает работу чистого синусоидального тока. Даже если эти устройства подключены к идеальному синусоидальному напряжению, их сигналы тока все равно будут искажаться, что приведет к подаче высокочастотных гармонических токов в электрическую сеть. Например, когда работает плавильная печь средней частоты, ток выпрямляется, а затем инвертируется, генерируя большое количество гармоник высокого порядка, таких как 11-я, 13-я и 23-я гармоники, в результате чего общая степень искажения напряжения возрастает до 17,7%, что значительно превышает предел национального стандарта в размере 3%.
Эффект насыщения собственного сердечника трансформатора
Кривая намагничивания сердечника трансформатора существенно нелинейна. Когда рабочее напряжение повышается или расчетная плотность магнитного потока приближается к зоне насыщения, ток возбуждения сильно искажается, в основном генерируя 3-ю, 5-ю и 7-ю нечетные гармоники. Фактические измерения показывают, что когда сухой трансформатор напряжением 66 кВ работает без нагрузки при напряжении 110% от номинального, содержание 5-й гармоники напряжения может достигать 7,4%, а при каждом увеличении напряжения на 3% увеличение гармоники превышает 20%. Условия работы при малой нагрузке и высоком напряжении (например, ночью) являются типичными сценариями таких гармонических всплесков.
Разрушительная сила гармоник: от электросчетчиков до двигателей
Частота гармоник может в десятки раз превышать частоту основной волны (50 Гц) (например, 2500 Гц), а ее физические эффекты намного превосходят воображение:
Резкое увеличение потерь: ток высокой частоты вызывает "поверхностный эффект", приводящий к значительному увеличению потерь меди в трансформаторах. В то же время потери железа в сердечнике увеличиваются из-за резкого изменения магнитного потока. Когда 10 среднечастотных печей в одном литейном цехе не были обработаны, повышение температуры трансформатора мощностью 7000 кВА было ненормальным, а шум - пронзительным. Было измерено, что повышение температуры было снижено на 10℃ только с помощью набора фильтрующих устройств. Защита от неправильного срабатывания: 5-я гармоника может легко проникнуть через фильтр напряжения отрицательной последовательности. Когда содержание 5-й гармоники в шине напряжением 66 кВ достигает 11%, это может привести к неисправности реле с заданным значением 9 В, что приведет к необъяснимому отключению питания. Неточные измерения: Механические счетчики энергии замедляются из-за сопротивления высокочастотных вихревых токов, в то время как электронные счетчики могут ошибочно принимать энергию гармоник за выработку электроэнергии, что приводит к "загадочной потере мощности".
Борьба с гармониками: от пассивной защиты до активной изоляции
Пассивные фильтры (LC-схемы) поглощают гармоники определенной частоты (например, 5-ю и 7-ю гармоники) за счет последовательного резонанса конденсаторов и реакторов. Несмотря на низкую стоимость, существует риск возникновения резонанса, и для каждой гармоники необходимо проектировать отдельную ветвь.
Фильтр активного питания (APF) генерирует ток обратной гармоники в режиме реального времени для предотвращения загрязнения. Он обладает отличной производительностью, но является дорогостоящим и ограничен мощностью силовых устройств.
Трансформатор с гармонической изоляцией
Технология индукционной фильтрации с четырьмя обмотками: При добавлении обмоток фильтрации с нулевым сопротивлением к традиционной структуре 220 кВ/110 кВ/35 кВ образуется "гармоническая сверхпроводящая цепь" со сбалансированным ампер-витком. Поток гармоник удерживается за пределами активной зоны, блокируя его распространение от источника. Инженерные изыскания показали, что эта технология позволила снизить уровень гармонических искажений на стороне 220 кВ с 6,9% до 2,0%, а коэффициент фильтрации превысил 80%. Группа преобразователей с фазовым сдвигом: В нем используется комбинация сдвоенных трансформаторов Δ-Zigzag и Δ-Y, и благодаря фазовому сдвигу на 30° две группы гармонических токов компенсируют друг друга. Например, при однофазных нелинейных нагрузках вторичные гармоники двух трансформаторов накладываются друг на друга не по фазе, что значительно снижает общее гармоническое искажение (THD).
Лучшим способом устранения гармоник является использование метода, известного как “фазовый сдвиг”. Концепция фазового сдвига заключается в разделении источника питания на несколько выходов; каждый выход сдвигается по фазе вместе с другими выходами под соответствующим углом для уменьшения гармоник. Идея состоит в том, чтобы сместить гармонические токи, чтобы привести их к сдвигу фазы на 180°, чтобы они компенсировали друг друга.
Следовательно, угловое смещение
1. 60° между двух трехфазных выходов, чтобы отменить 3-й гармоники
2. для подавления токов 5-й и 7-й гармоник требуется расстояние между двумя трехфазными выходами 30°
3. Для подавления токов 11-й и 13-й гармоник требуется расстояние между двумя трехфазными выходами 15°
Фазосдвигающие трансформаторы Предназначены для нелинейных нагрузок
Уровень гармонических токов может быть снижен с помощью фазосдвигающих трансформаторов. Импеданс играет решающую роль в снижении искажений напряжения. Фазосдвигающие трансформаторы позволяют регулировать гармонические токи путем их подавления. Кроме того, эти трансформаторы сконструированы таким образом, чтобы выдерживать дополнительный перегрев, вызванный гармоническими токами. Качество и надежность электрической системы могут быть значительно улучшены при использовании трансформаторов, снижающих гармонические колебания.
Электрифицированная железная дорога: 31-я, 35-я и 41-я гармоники на стороне 380 В тяговой подстанции превысили норму (с содержанием 17%). После использования параллельных фильтров высоких частот уровень искажений был снижен с 19% до 3,98%. Принцип заключается в том, что он обеспечивает высокое сопротивление (почти разомкнутую цепь) на частоте питания, в то время как для высокочастотных гармоник он имеет низкое сопротивление.
Шахтное электроснабжение: Оборудование для подземного частотно-регулируемого привода генерирует гармоники высокого порядка. Выбор соединительного трансформатора Δ/Yn позволяет предотвратить передачу 3-й гармоники в электрическую сеть и регулировать уровень нагрузки трансформатора на уровне 70-80%, сохраняя запас для гармонического нагрева.
