淺談電網(wǎng)諧波問題及其對策

摘要：自上世紀九十年代中期以來，隨著縣域經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會用電負荷中的非線性負荷尤其是工業(yè)上使用電弧爐、中頻爐等逐漸增加，造成趙縣電網(wǎng)中高次諧波問題日益嚴重，文章對此綜述了電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生、危害和解決方法。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng) 諧波 危害

自上世紀九十年代中期以來，隨著縣域經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)上使用電弧爐、中頻爐等非線性負荷日益增加，這些設(shè)備具有簡單可靠，易于維護和節(jié)省能耗的優(yōu)點，尤其在趙縣的縣城和新寨店工業(yè)園區(qū)的民營企業(yè)中應(yīng)用廣泛，電網(wǎng)中諧波問題日益嚴重，對電網(wǎng)產(chǎn)生了不良影響，如功率因數(shù)低、產(chǎn)生諧波電流、無功沖擊大等等。

電網(wǎng)中理想的電壓電流波形是50Hz的正弦波，電壓與電流的相位一致，功率因數(shù)為1。實際電網(wǎng)中的負荷千差萬別，尤其隨著經(jīng)濟發(fā)展，大量非線性負荷增加，特別是電力電子技術(shù)、節(jié)能技術(shù)和控制技術(shù)的進步，在通信、交通、汽車工業(yè)、工程機械、冶金鋼鐵、煤礦、石油石化等部門大量使用各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、電力電子調(diào)壓設(shè)備、電熔煉設(shè)備、電化學(xué)設(shè)備、礦井起重設(shè)備、露天采掘設(shè)備、電氣機車等與日俱增，這些非線性負載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波污染會對電網(wǎng)和用戶帶來越來越多的干擾和影響，影響用電設(shè)備安全，增加電能損耗。

1 諧波的定義與危害

根據(jù)國標《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)GB/T 14549-93》的定義：“諧波（分量）為對周期性交流分量進行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。”也就是說諧波是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。

諧波研究的意義在于諧波會嚴重影響用電設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全、可靠與經(jīng)濟運行。供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①誘發(fā)電網(wǎng)諧振，導(dǎo)致諧波過電壓和過電流，引起嚴重事故，損壞電容器補償?shù)入姎庠O(shè)備。②導(dǎo)致異步電機和變壓器產(chǎn)生附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動和諧波過電壓，降低效率和利用率，縮短使用壽命。③諧波電流頻率增高會引起電力電纜和配電線的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻增大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成火災(zāi)隱患。④對通信、電子或自動控制設(shè)備產(chǎn)生嚴重干擾。⑤諧波電流使斷路器遮斷能力降低，導(dǎo)致斷路器、接觸器等不能安全穩(wěn)定工作。⑥致使電力保護裝置誤動或拒動，導(dǎo)致區(qū)域性停電事故。⑦使電力系統(tǒng)各種測量儀表誤差增大，甚至無法工作。⑧干擾或影響各類低壓電器的正常使用。

2 電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生

2.1 電源本身諧波 由于發(fā)電機制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當然，幾個這樣的電源并網(wǎng)時，總電源的電流也將偏離正弦波。

2.2 非線性負載產(chǎn)生的諧波 諧波產(chǎn)生的另一個原因是由于非線性負載。當電流流經(jīng)線性負載時，負載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系，不會產(chǎn)生諧波；而電流流經(jīng)非線性負載時，則負載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。如果非線性負載是電弧爐、中頻爐等大型設(shè)備則產(chǎn)生多種高次諧波，對系統(tǒng)的危害也更加嚴重。

2.3 主要的非線性負載裝置 開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波，它由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負載和控制，這幾個部分都可能產(chǎn)生高次諧波。

3 吸收諧波辦法

由于諧波引起的危害在不斷擴大，為了減少電力系統(tǒng)中諧波問題，我國于93年發(fā)布實施了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-1993），對諧波、負序電流注入電網(wǎng)的量做出明確的規(guī)定，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。目前主要從兩個方面對諧波進行治理。

一方面是提高供電電壓等級，以提高與電網(wǎng)公共連接點的短路容量，使諧波對電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi)，但這并不是通過消除諧波本身對電網(wǎng)的不利量值來解決電網(wǎng)的影響，而是把這些量值送到更高電壓等級的電網(wǎng)去擴散，以降低對電網(wǎng)的影響。

另一方面是從諧波源著手，在根本上消除大部分諧波量值，以使其對電網(wǎng)的干擾降至最低。通常采用無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF兩種諧波抑制裝置。就目前情況來說，這種方法的使用效果更加明顯，使用前景更加理想。

3.1 無源LC濾波裝置 無源LC濾波裝置是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，其基本原理是利用電路諧振的特點，形成某次或某些諧波的低阻抗通道，將大部分諧波電流分流，分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等幾種。單調(diào)諧濾波器僅針對某一特定設(shè)計頻率，例如3次、5次、7次等，形成對特定次數(shù)諧波的低阻抗通道。實際中常用幾組針對不同頻率的單調(diào)諧濾波器和一組二階高通濾波器組成濾波成套裝置。LC濾波器中含有一定量的電容，可提供固定容量的無功功率，起到一定的改善功率因數(shù)效果。

無源濾波具有投資少，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠及維護方便等優(yōu)點。但無源濾波也存在諸多缺點如受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，只能消除特性的幾次諧波，濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)，有效材料消耗多、體積大等。

3.2 有源濾波裝置

有源濾波器（Active Power Filter，縮寫為APF）。APF的工作原理是并聯(lián)接入電力系統(tǒng)，通過實時檢測負載電流波形，得到需要補償?shù)闹C波電流成分，并將其反向，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng)，實現(xiàn)濾除（抵消）諧波功能。另外，還可提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)功率吸數(shù)、實現(xiàn)動態(tài)無功補償。APF相當于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)。

與無源濾波器相比，APF有以下特點：①不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理；②濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；③具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點。同時APF也存在造價高、運行損耗大、容量受到限制等缺點。

4 濾波器裝置在工程中的合理應(yīng)用

4.1 總補償方式 當配電系統(tǒng)的非線性負載位置分散且單臺容量較小時，宜采用集中補償方案。如輕工業(yè)園區(qū)，各工廠規(guī)模較小，設(shè)備較少，往往整個工廠的變壓器安裝容量不到1000kVA，在低壓電源總進線處安裝APF，就能有效地消除諧波。

4.2 部分補償方式 當配電系統(tǒng)的非線性負載集中在某幾條支路時，宜采用部分補償方案。如工程機械聯(lián)合生產(chǎn)車間的焊接區(qū)與涂裝區(qū)，設(shè)備均集中在某一區(qū)域，一般采用單獨的母線供電，可在母線的供電端安裝相對應(yīng)的無源濾波器，這樣即能有效地抑制諧波又節(jié)省投資。

4.3 局部補償方式 當配電系統(tǒng)的非線性負載集中，單臺容量較大時，宜采用局部補償方案。如鋼鐵行業(yè)的電弧爐、水泥行業(yè)的煅燒用大型轉(zhuǎn)窯等，這類設(shè)備對其他設(shè)備的干擾很大，應(yīng)就地安裝APF進行消諧。

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