電力系統諧波檢測和治理

摘要：目前電力系統諧波危害已經引起了各個部門的關注，為了整個供電系統的供電質量，必須對諧波進行有效的檢測和治理。

關鍵字：電力諧波檢測治理

前言

隨著我國工業化進程的迅猛發展，電網裝機容量不斷加大，電網中電力電子元件的使用也越來越多，致使大量的諧波電流注入電網，造成正弦波畸變，電能質量下降，不但對電力系統的一些重要設備產生重大影響，對廣大用戶也產生了嚴重危害。目前，諧波與電磁干擾、功率因數降低被列為電力系統的三大公害，因而了解諧波產生的機理，研究和清除供配電系統中的高次諧波，對改于供電質量、確保電力系統安全、經濟運行都有著十分重要的意義。

一、電力系統諧波危害

①諧波會使公用電網中的電力設備產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，嚴重的甚至可能引發火災。

②諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等故障，變壓器局部嚴重過熱，電容器、電纜等設備過熱，絕緣部分老化、變質，設備壽命縮減，直至最終損壞。

③諧波會引起電網諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統構成重大威脅，特別是對電容器和與之串聯的電抗器，電網諧振常會使之燒毀。

④諧波會導致繼電保護和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和損失。

⑤諧波會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給供電部門或電力用戶帶來直接的經濟損失。

⑥諧波會對設備附近的通信系統產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量;重則導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。www.lunwenwang.com論文網在線

⑦諧波會干擾計算機系統等電子設備的正常工作，造成數據丟失或死機。

⑧諧波會影響無線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。

二、諧波檢測方法

1.模擬電路

消除諧波的方法很多，即有主動型，又有被動型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較為先進的是采用有源電力濾波器。但由于其檢測環節多采用模擬電路，因而造價較高，且由于模擬帶通濾波器對頻率和溫度的變化非常敏感，故使其基波幅值誤差很難控制在10%以內，嚴重影響了有源濾波器的控制性能。近年來，人工神經網絡的研究取得了較大進展，由于神經元有自適應和自學習能力，且結構簡單，輸入輸出關系明了，因此可用神經元替代自適應濾波器，再用一對與基波頻率相同，相位相差90度的正弦向量作為神經元的輸入。由神經元先得到基波電流，然后檢測出應補償的電流，從而完成諧波電流的檢測。但人工神經網絡的硬件目前還是一個比較薄弱的環節，限制了其應用范圍。

2.傅立葉變換

利用傅立葉變換可在數字域進行諧波檢測，電力系統的諧波分析，目前大都是通過該方法實現的，離散傅立葉變換所需要處理的是經過采樣和A/D轉換得到的數字信號，設待測信號為x(t)，采樣間隔為t秒，采樣頻率=1/t滿足采樣定理，即大于信號最高頻率分量的2倍，則采樣信號為x(nt)，并且采樣信號總是有限長度的，即n=0，1……N-1。這相當于對無限長的信號做了截斷，因而造成了傅立葉變換的泄露現象，產生誤差。此外，對于離散傅立葉變換來說，如果不是整數周期采樣，那么即使信號只含有單一頻率，離散傅立葉變換也不可能求出信號的準確參數，因而出現柵欄效應。通過加窗可以減小泄露現象的影響。

3.小波變換

小波變換已廣泛應用于信號分析、語音識別與合成、自動控制、圖象處理與分析等領域。電力諧波是由各種頻率成分合成的、隨機的、出現和消失都非常突然的信號，在應用離散傅立葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分發揮小波變換的優勢。即對諧波采樣離散后，利用小波變換對數字信號進行處理，從而實現對諧波的精確測定。小波可以看作是一個雙窗函數，對一信號進行小波變換相當于從這一時頻窗內的信息提取信號。對于檢測高頻信息，時窗變窄，可對信號的高頻分量做細致的觀測；對于分析低頻信息，這時時窗自動變寬，可對信號的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動“調焦”性。其次，小波變換是按頻帶而不是按頻點的方式處理頻域信息，因此信號頻率的微小波動不會對處理產生很大的影響，并不要求對信號進行整周期采樣。另外，由小波變換的時間局部可知，在信號的局部發生波動時，不會象傅立葉變換那樣把影響擴散到整個頻譜，而只改變當時一小段時間的頻譜分布，因此，采用小波變換可以跟蹤時變和暫態信號。

三、電力系統諧波治理

限于篇幅問題，本文在此只介紹基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，基于改造諧波源本身的諧波抑制方法一般有以下幾種。

(1)增加整流變壓器二次側整流的相數

對于帶有整流元件的設備，盡量增加整流的相數或脈動數，可以較好地消除低次特征諧波，該措施可減少諧波源產生的諧波含量，一般在工程設計中予以考慮。因為整流器是供電系統中的主要諧波源之一，其在交流側所產生的高次諧波為tK1次諧波，即整流裝置從6脈動諧波次數為n=6K1，如果增加到12脈動時，其諧波次數為n=12K1(其中K為正整數)，這樣就可以消除5、7等次諧波，因此增加整流的相數或脈動數，可有效地抑制低次諧波。不過，這種方法雖然在理論上可以實現，但是在實際應用中的投資過大，在技術上對消除諧波并不十分有效，該方法多用于大容量的整流裝置負載。

(2)整流變壓器采用Y/或/Y接線

該方法可抑制3的倍數次的高次諧波，以整流變壓器采用/Y接線形式為例說明其原理，當高次諧波電流從晶閘管反串到變壓器副邊繞組內時，其中3的倍數次高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在。但將導致鐵心內出現3的倍數次高次諧波磁通(三相相位一致)，而該磁通將在變壓器原邊繞組內產生3的倍數次高次諧波電動勢，從而產生3的倍數次的高次諧波電流。因為它們相位一致，只能在形繞組內產生環流，將能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現3的倍數次的高次諧波電動勢。從以上分析可以看出，三相晶閘管整流裝置的整流變壓器采用這種接線形式時，諧波源產生的3n(n是正整數)次諧波激磁電流在接線繞組內形成環流，不致使諧波注入公共電網。這種接線形式的優點是可以自然消除3的整數倍次的諧波，是抑制高次諧波的最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負載。

(3)盡量選用高功率因數的整流器

采用整流器的多重化來減少諧波是一種傳統方法，用該方法構成的整流器還不足以稱之為高功率因數整流器。高功率因數整流器是一種通過對整流器本身進行改造，使其盡量不產生諧波，其電流和電壓同相位的組合裝置，這種整流器可以被稱為單位功率因數變流器(UPFC)。該方法只能在設備設計過程中加以注意，從而得到實踐中的諧波抑制效果。

(4)整流電路的多重化

整流電路的多重化，即將多個方波疊加，以消除次數較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數越多，波形越接近正弦波，但其電路也越復雜，因此該方法一般只用于大容量場合。另外，該方法不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值，并提高紋波頻率。如果把上述方法與PWM技術配合使用，則會產生很好的諧波抑制效果。該方法用于橋式整流電路中，以減少輸入電流的諧波。

當然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源濾波器、裝設靜止無功補償裝置(SVC)等等，在此就不再詳細論述。

隨著現代信息技術，計算機技術和電子技術的發展，電能質量問題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應用先進的電能質量測試儀器不僅能大大提高電能質量的監測與治理水平，同時還可建立先進可靠的電能質量監測網絡，及時分析和反映電網的電能質量水平，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，采取相應的措施，為保證電網的安全、穩定、經濟運行提供重要的保障。