電網(wǎng)諧波危害與抑制

張金鳳

（山東黃河勘測設(shè)計研究院 山東 濟南 250013）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益進步和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,非線性設(shè)備在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣,由此產(chǎn)生的大量高次諧波電流注入電網(wǎng),引起電網(wǎng)電壓正弦波形畸變,使電能質(zhì)量下降，干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，影響發(fā)電、供電和用電設(shè)備安全經(jīng)濟運行。所謂非線性設(shè)備就是指在正弦供電電壓下產(chǎn)生非正弦電流或者在正弦供電電流下產(chǎn)生非正弦電壓的設(shè)備。例如，變壓器、發(fā)電機、電機、電弧爐、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、電視機、計算機、復(fù)印機、等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)載，都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網(wǎng)，必然污染公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)電源的波形畸變，增加諧波成份。

1 諧波的產(chǎn)生

諧波是一個周期電氣量中頻率為大于1整數(shù)倍基波頻率的正弦波分量。由于諧波頻率高于基波頻率，人們就把諧波也稱為高次諧波。

通常諧波源可以被分為以下三類：

（1）飽和設(shè)備，如發(fā)電機、變壓器和電動機等。

（2）電弧裝置，如電弧爐、熒光燈等。

（3）電力電子裝置，如變速傳動裝置、不間斷電源、整流器、逆變器、開關(guān)電源和晶閘管控制系統(tǒng)等。

電力變壓器作為諧波源，源于電力變壓器使用的磁性材料通常運行在接近非線性或者可以說就在非線性區(qū)域。在此種情況下，即使所加的電壓是正弦的，變壓器的勵磁電流也是非正弦的，因此包含諧波，而且主要是3次諧波。在我們通常使用的熒光燈中，每隔半個周波電壓被建立起來直到熒光燈被點亮，點亮狀態(tài)下熒光燈呈負(fù)電阻特性，其電流由感性的非線性鎮(zhèn)流器來限制，因此電流是畸變的。靜止無功補償裝置（簡稱SVC）是指凡是能夠以無機械傳動部件而達(dá)到提供無功出力的裝置。由靜電電容器和晶閘管等部件組合而成。靜止無功補償器是一種平衡的三相設(shè)備，它用晶閘管控制并聯(lián)電容器或并聯(lián)電抗器每半個周波中的導(dǎo)通時間，以便將終端電壓維持在一個給定值。因此，它會產(chǎn)生非正弦的斬波電流。

2 諧波的危害

向電網(wǎng)注入高次諧波電流是電力電子裝置以及其它非線性設(shè)備在使用過程中造成的重要危害，其危害范圍涉及到工礦企業(yè)電網(wǎng)的各個部分，并通過電力系統(tǒng)影響到其它用電部門，諧波電流及電網(wǎng)電壓畸變的危害可以概括為以下幾個方面：

（1）電容器組、變壓器和電動機的發(fā)熱和故障。電容器的電抗隨著頻率的升高而減小，這使得電容器成為諧波的吸收點，致使電容器由于諧波電流而過載。同時，諧波電壓產(chǎn)生大電流會引起電容器熔絲熔斷。諧波對變壓器和旋轉(zhuǎn)電機的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動、噪音和諧波過電壓。這些將縮短電機的壽命，情況嚴(yán)重時甚至?xí)p壞電機。

（2）發(fā)電機的銅耗和鐵耗增加。諧波會增加設(shè)備的銅耗和鐵耗導(dǎo)致發(fā)熱，在這種情況下降低了發(fā)電機的額定出力。

（3）增加旋轉(zhuǎn)電機的損耗。國際上一般認(rèn)為電動機在正常持續(xù)運行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額定電壓的2%，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個數(shù)值，則附加功耗明顯增加。

（4）增加輸電線路功耗。如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大10～20倍，而感抗僅為其1／3～1／2，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

（5）繼電保護和自動裝置的拒動或誤動作。電力系統(tǒng)中的諧波會改變保護繼電器的性能，引起誤動作或拒絕動作。

（6）測量儀表的不精確。有功和無功電度表是用于工礦企業(yè)所消耗的有功和無功電能的計量，既要正確記錄線性負(fù)荷所消耗的電能，也要記錄非線性負(fù)荷或者混合負(fù)荷所消耗的電能，不論供電部門還是用電單位都非常關(guān)心這些計量儀表的準(zhǔn)確性。這些計量裝置都是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波設(shè)計的，當(dāng)供電電壓中有高次諧波或者負(fù)荷電流中有高次諧波時都會影響常用感應(yīng)式電度表的正常工作，通過感應(yīng)式電度表的相對誤差與頻率的關(guān)系，我們知道，在不同的電壓和電流相位差的情況下，頻率越高，誤差越大，電流和電壓之間的相位差越小，誤差越大。在非正弦電壓和電流，附加的總的頻率誤差與諧波電壓、諧波電流以及它們之間的相位差有關(guān)系。

（7）損壞電子設(shè)備。諧波干擾用戶負(fù)載，尤其是計算機系統(tǒng)，諧波縮短白熾燈的使用壽命。

（8）干擾通訊系統(tǒng)。諧波對通訊系統(tǒng)的干擾是一個在國際上都被十分重視的問題，諧波干擾會引起通訊系統(tǒng)的噪音，降低通話的清晰度。干擾嚴(yán)重時會引起信號的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起電話鈴響，甚至還會發(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。

3 諧波的抑制

諧波的干擾已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”，其危害雖然很大，但還是可以抑制的。為解決電力電子裝置和其它諧波源的諧波污染問題，在電力系統(tǒng)中抑制諧波的方法基本就是“限”和“制”兩種，所謂的“限”就是減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量，所謂的“制”就是在諧波源附近安裝濾波器。

首先是減少諧波的技術(shù)，主要有：

（1）電力變流器中的相位抵消。

（2）改變電容器組的安裝位置或調(diào)整電容器組的無功出力。

（3）三角形聯(lián)結(jié)被用來隔斷由發(fā)電機和變壓器產(chǎn)生的諧波進入電力系統(tǒng)。

（4）同步發(fā)電機中的短距線圈和分布繞組可以減小諧波。選擇線圈節(jié)距以使節(jié)距系數(shù)在某次諧波下為零可以完全消除此次諧波。

其次是抑制諧波的技術(shù)，諧波抑制的傳統(tǒng)方法就是采用LC濾波器，LC濾波器也稱為無源濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成、并調(diào)諧在某個特定諧波頻率的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除起到濾波的作用外，又可以補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，所以在電力系統(tǒng)中一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果不好。

當(dāng)前，諧波抑制的發(fā)展趨勢是采用有源電力濾波器，有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的電力電子裝置。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性恰好相反的補償電流，從而使注入電網(wǎng)的電流只含有基波分量，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應(yīng)用克服了LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法中的缺點。圖1為并聯(lián)型電力有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電力有源濾波器并聯(lián)連接在負(fù)載上，通過檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流電流運算電路計算得出補償電流的指令信號。該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負(fù)載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到預(yù)期的電源電流。

圖1 電力有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在有源濾波系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸出的基波有功電流、無功電流以及高次諧波電流混合在一起。在此提出一種可適用于抑制任何頻率的輸電網(wǎng)中的諧波電流和補償無功電流的方法。在檢測方案中，作者根據(jù)負(fù)載電流要求產(chǎn)生與有害電流分量大小相等、相位相反的電流，即電源無功電流和高次諧波電流，利用自適應(yīng)信號預(yù)測功能對該電流進行檢測，并將產(chǎn)生的與檢測到的相同電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)對電網(wǎng)的實時電流補償，從而輸出基波有功電流分量至負(fù)載。其檢測方案原理圖如圖2所示：

圖2 有源濾波電流補償方案

4 結(jié)束語

諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，正確選用用電設(shè)備，生產(chǎn)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的用電設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，針對電力系統(tǒng)諧波的危害，致力于諧波治理的研究人員一定會加緊諧波抑制技術(shù)方面的研究工作，而且不久的將來必定會取得快速的進展，21世紀(jì)的電力系統(tǒng)將發(fā)展成為復(fù)雜、高度安全可靠、經(jīng)濟高效、高度可控的，能為人類提供優(yōu)質(zhì)電能的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。

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