供配電系統中的諧波電壓識別與測量

黃妤群 艾秀娟

（1.福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366000； 2.渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北 滄州 062658）

1 引言

諧波電壓對供配電系統、電氣設備的穩定和安全運行，以及通信的安全等都具有較大影響。正確識別諧波電壓、電流以及阻抗，并運用正確的方法對諧波進行測量，然后采取相應措施積極控制或抑制諧波電壓具有重大意義。

2 諧波的產生及其危害

對于一個穩定的供配電系統，三相交流發電機發出的電壓，其波形是是正弦波。在實際的供配電系統中，有大量晶閘管整流電源、變頻調速裝置、單相整流供電裝置、高壓直流輸電換流站、以及電弧和接觸焊接設備、硅鐵爐、高頻爐以及電力變壓器等非線性電力負荷的存在，而且這些負荷吸收的電流與施加的電壓波形不同，他們從電網吸收或注入諧波電流和無功電流，并產生大量的零序、負序和諧波電流，引起電網電壓畸變，而畸變電壓會對所有負荷產生影響[1]。可以說供配電系統中的諧波的產生是必然的物理現象，它對電網有很大的影響：①發電機、電網、變壓器、電動機等產生諧波源會降低發電、輸電、用電的效率。而且，在三相四線制供配電系統中，三次及其倍數次的諧波電流流過中線，會導致中線過熱進而引起火災；②影響各種電氣設備的正常工作。如額外的熱效應會引起用電設備發熱，絕緣老化，降低設備使用壽命；導致一些保護設備如繼電器、熔斷器等誤動作；增大變壓器的銅損耗和鐵損耗，降低其使用率；因諧波電流放大造成電容器過負荷或過電壓而損壞；③影響計量和通信。電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，而諧波電壓的存在會產生測量誤差，另外諧波電流的存在會產生電磁波，進而對鄰近的通信線路造成干擾，甚至導致丟失信息，使通信系統無法工作。

3 諧波相關參數的識別

3.1 諧波電壓的近似求解

假設PCC（連接點或諧波源）相鄰兩側兩時刻間諧波電壓基本平穩，并且系統諧波阻抗變化不大，那么可根據電力系統的基本原理近似求解諧波電壓[2]，如圖1所示。

圖1 等值電路圖

由此得到

以上是諧波電壓的近似求解值，在復雜的配電系統中，還可以借助二元回歸分析對其準確性進行判斷。

3.2 諧波電流方向識別

諧波電流方向判斷實質就是判斷系統和用戶對諧波畸變的影響大小，正確辨識諧波電流方向，是諧波潮流計算、濾波器配置以及采用經濟手段懲罰諧波發射用戶等問題的基礎，因此諧波電流方向的辨識對電力系統諧波污染的治理有重要意義。目前的諧波電流方向辨識方法主要有兩種方案：

（1）基于有功功率潮流的諧波電流方向辨識方法。該方法是最傳統的諧波電流方向辨識方法，功率正方向定義為從系統到用戶，則h次諧波的有功功率為：

（2）和基于諧波阻抗的諧波電流方向辨識方法。假設 hR是系統h次諧波阻抗的實部，hX是系統h次諧波阻抗的虛部，那么，其判斷依據仍然是 hR，即其值小于0，說明諧波電流方向為用戶注入系統，否則系統本身是主要的諧波電流源。顯然前者用戶收到處罰，后者則需要對用戶給予補償。

3.3 諧波阻抗識別

電力系統中，各種非線性負荷的大量應用是導致大量諧波電流注入電網的主要原因。電力系統的諧波阻抗的辨識對諧波的滲透分析、濾波裝置參數的優化設計和電力系統的安全運行設計等都具有重要意義。諧波阻抗辨識的基本原理比較簡單，運用歐姆定律可以對其進行分析，如圖2所示。

圖2 系統和諧波源用戶的連接示意圖

圖2 中，方框N2代表非線性負荷，方框Nl代表的是除了這個負荷之外的整個線路。當Nl中的阻抗元件是線性元件時，而且當N1只含工頻電源時，Nl對于各個高次諧波所呈現的阻抗是一個定值，因此可以定義系統諧波阻抗 hZ=hU/hI（h為諧波次數，hU和hI分別代表電壓u，電流i的h次諧波相量）。諧波阻抗識別基本可以上可以分為兩類[3]：①干預式。即通過外界因素干擾產生在正常情況下不會產生諧波電流。然后利用該次諧波電流和諧波電壓估計系統諧波阻抗。如“注入法”，通過注入諧波電流測量系統諧波阻抗，還有 “開關元件法”，即在要測量諧波阻抗的地點，通過網絡元件的開關動作而產生諧波電流注入，然后再研究其瞬態或是穩態過程求出系統諧波阻抗的方法；②非干預式，如“波動量法”和“雙線性回歸法”等，他們是根據網絡的諧波潮流模型，利用諧波電流、諧波電壓本身的特點來估計系統諧波阻抗的一種方法。

4 諧波電壓的測量

諧波電壓對供配電系統的危害性較大，自然需要各種裝置對諧波電壓進行控制。但首先必須要對諧波電壓進行測量。傳統的諧波測量裝置多以單片機來實現，但其精度、速度都不滿足現代管理的需要。利用DSP（數字信號處理器）可以快速運算數字信號，達到對諧波的測量、監視、控制和管理[4]。

本文以福建平和變電站配電系統為例，并采用瑞士萊姆制造的PQPT-1000電能質量分析儀作為測試儀器進行網點測試，諧波分析至50次，基本精度0.01。在動、靜態無功補償裝置均運行的情況下，進行50分鐘測試：

（1）110kv母線諧波電壓總諧波畸變率。根據對6個測試點的測試數據進行統計，結果如表1所示。

表1 110kV母線諧波電壓總諧波畸變率

（2）110kV母線各次諧波電壓含有率。根據諧波電壓測試數據統計95%概率大值、最大值、平均值，其中三相諧波電壓平均值還采用公式

進行求解，如表2所示。

表2 110kV母線各次諧波電壓含有率（單位：%）

根據上表，利用公式測量的平均值較利用PQPT-1000電能質量分析儀所測結果略有降低。

（3）采用同樣的方法，可以測出該配電系統6個測試點中各次諧波電流最大值、平均值、95%概率大值，如基波上諧波電流最大值分別為281.65A、 284.01A、307.43A。

5 結論

對諧波電壓的識別、測量、控制不僅可以保證供配電系統安全穩定運行，提高電器設備使用壽命，保證通信安全，還可以盡量促進用電市場的公平。本文介紹了諧波電壓的識別方法，并對濾波檢測以及LV濾波器的選擇進行了一定的分析。隨著電力電子技術的進一步發展，諧波電壓的控制技術也會日臻成熟，電力的使用效率會逐步提高，這對于建設低碳社會具有重要意義。

[1] 賀建閩,黃治清,李群湛.電網背景諧波電壓測量與研究[J].鐵道學報,2005,27(6)：28-33.

[2] 唐杰,羅安,范瑞祥等.無功補償和混合濾波綜合補償系統及其應用[J].中國電機工程學報,2007(1).

[3] 王彥東,李群湛.電力系統諧波阻抗特性及其測量方法的探討[J].電工技術雜志,2004(3)：64-67.

[4] 潘發君．配電網無功與諧波綜合補償原理及方法研究[D].湖南大學,2007.6.