淺談諧波的分析及抑制

摘 要：由于非線性元件的存在，電力電網中產生大量的高次諧波，嚴重影響著電網質量和用電安全。為了提高電網質量必須對電網進行諧波治理。本文主要分析了電網中諧波產生的原因和當今幾種抑制諧波的方法。

關鍵詞：諧波 補償 濾波

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0063-01

在現實生產生活中，往往對電網質量要求比較高的企業往往相對科技含量較高，創造的社會產值比較大，電網中高次諧波的存在，極大地影響了這些電力用戶的正常運作，嚴重阻礙了企業的發展和社會財富的積累。因此，電力系統的諧波治理是十分必要的。諧波治理在當今社會生產中也越來越受重視，越來越多的企業在諧波治理方面投入更多的資金和精力。

1 電力系統高次諧波產生的原因和危害

1.1 諧波產生的原因

諧波的產生是因為電網中大量非線性元件的存在，例如各種電動機，整流裝置，逆變器和各種感應爐等，這些非線性元器件在工作時會引起電源電壓和電流畸變，產生大量的高次諧波分量的電壓和電流。其中，50 Hz為基波分量，100 Hz為二次諧波分量，150 Hz為三次諧波分量，以此類推。同時，不同的非線性原件在電網中產生的主要諧波的分量不同，并且不同的高次諧波分量在電網中所表現出來的特性也各不相同。此外，諧波電壓和電流中所占比例較大的往往是次數較低的諧波分量。

1.2 高次諧波的危害

高次諧波對電網危害巨大。主要表現為，一方面影響產生諧波設備自身的正常運作。例如電動機、變壓器和發電機在運行中產生高次諧波諧波，過高的諧波電壓有可能擊穿繞組絕緣層；同時鐵損和銅損也會因為高次諧波電流的存在而增加，從而導致設備正常運行時溫度升高，降低設備的輸出功率，甚至導致設備的使用壽命大大縮短。另外，高次諧波會導致電機噪聲增大，影響工作人員的正常生產，從而對產品質量造成影響。另一方面，高次諧波的存在會導致電網電壓波動異常，直接威脅用電設備的正常工作，甚至直接造成設備的損壞。例如，高次諧波會導致電網中并聯電容器的擊穿，燒毀串聯在電路中的電抗器，還會導致整流逆變裝置的換向失敗，直接造成裝置損毀，另外自動化系統電源中的諧波分量可能會對整個控制系統造成干擾，直接影響整個系統的可靠運行。可見，諧波對整個電力系統和工業生產的危害非常嚴重，必須采取有力的措施加以控制和消除，以保證用戶的用電安全。

2 高次諧波的抑制方法

解決電網中的諧波污染應當從兩個方向下手。首先，從諧波產生的源頭入手，盡可能的減少設備產生的諧波分量；其次，對已經產生的諧波分量，要采用濾波補償吸收裝置，減少消除諧波影響，避免高次諧波在電網中的擴散。

作為電力系統中主要發電設備的同步發電機，由于鐵心飽和，在正常工作中會產生大量的高次諧波，為了減小高次諧波分量，往往利用計算機幫助設計發電機，以達到改善電機轉子的主磁極磁場分布的目的。另外改善電機定轉子齒槽的形狀，同時電機定子繞組采取短距線圈，分數槽，分布式的措施減少高次諧波。另外，為防止三次及其整數倍諧波進入電網并且避免三次諧波環流在繞組中出現而使損耗增加，同步發電機的定子線圈繞組可以采用Y接不接地的方法。

變壓器中高次諧波的產生主要是由于鐵心的飽和造成的，主要分量為三次諧波。Yy型接法的變壓器，可能會應為諧波過大而使絕緣層擊穿，因此在使用時通常在變壓器鐵心上增加角接的附加線圈繞組。目前為了限制諧波，電力系統中使用了大量的Dyn11型變壓器，因為，高壓側如果是Y形結構，三次諧波必然會在設備和中性線里通過，從而影響設備的正常工作；高壓側使用角接后，三次諧波會從角形繞組中流通，諧波不通過設備。

在生產中，大型的可控硅整流裝置和逆變裝置，大型的中頻高頻煉鋼設備在運行過程中都會產生大量的高次諧波。為了減少諧波的產生，往往采用增加整流相數的方式。比如將整流相數從六相整流變為為十二項或者二十四相整流，會使設備產生的高次諧波分量大大減少。另外，為了減小大的諧波產生設備對系統中其他設備的影響，也可以對其采用專門單獨供電的方法。

電網諧波的抑制方式主要采用三類，無源濾波，有源濾波和混合濾波。由于濾波設備直接并聯在電網上，設計方案時要考慮諧波源和濾波裝置之間的相互影響，科學合理的濾波方案可以使諧波分量大大減少，但是如果設計不合理有可能使諧波的抑制效果大打折扣，甚至形成諧波共振，使諧波量沒有減小的同時反而大大增加了。

2.1 無源濾波

傳統的無功補償和諧波抑制主要應用LC濾波器，即在整流橋的輸入端并聯一個串接的LC濾波裝置，濾波裝置的諧振頻率和電路的主要諧波分量頻率相同。同時為了防止由于高次諧波電壓的存在，而使過大的諧波電流在濾波裝置中產生，往往在輸入端串接電抗器。無源濾波裝置目前應用比較廣泛，由于起步比較早，技術應用相對成熟，使用成本也比較低。但是同時也存在缺陷。

（1）當設計方案確定以后，元件參數即被固定，導致其只能對某個頻率的波段的高次諧波有抑制作用，當電感電容參數產生漂移后，濾波特性也隨之改變，導致濾波性能變得不穩定。（2）電網參數對濾波特性影響巨大，由于電網的運行狀況是不斷改變的，其阻抗和高次諧波分量也是不斷變化的，因此，此類濾波裝置設計難度比較大而電網的阻抗和諧波頻率隨著電力系統的運行工況隨時改變，因而LC網絡的設計較困難。（3）電網中其他諧波分量可能與濾波裝置產生諧振，產生很大的諧波分量，導致電網質量下降。（4）電網中的個別諧波分量可能在濾波設備中引起比較大的諧波電流。

2.2 有源濾波

有源濾波往往在電網中接入有源濾波裝置，裝置依靠微計算機控制系統控制可控硅觸發角，從而控制裝置中電感電容的投切，使其產生與諧波分量相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波分量。有源濾波裝置由于其跟隨性好，適應能力強，濾波效果好，應用越來越廣泛，逐漸成為諧波治理的主流。但是其要求的技術水平較高，設計難度大，投資也相對較大。

2.3 混合濾波

這種方式采用無源濾波和有源濾波相結合的方式，主要諧波分量由無源濾波裝置抑制，其他諧波分量由有源濾波裝置抑制，這種方案兼有無源濾波和有源濾波各自的優點，而且成本相對也較低，其應用也非常廣泛。

3 結語

高次諧波對電網的影響巨大，諧波治理意義重大，消除諧波可以大大減少高次諧波對設備的損害，減少電網中高次諧波導致的能源和原材料的消耗，從而顯著提高社會的經濟效益。因此要不斷地發展諧波治理方案，研發新技術，提高用戶的用電質量。

參考文獻

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