電力系統中諧波的產生與抑制

李學智

摘 要：電力系統中的諧波與功率因數下降、電磁干擾共同構成電力系統的三大公害，它嚴重影響著電力系統的穩定性， 降低了系統的運行效率，甚至威脅著電網電氣設備的正常運行，給用戶及用電設備的安全造成危害。本文主要介紹了電力系統中諧波的來源及危害，并簡述了目前解決諧波問題的幾種抑制方法，展望了當今輸電技術的發展方向。

關鍵詞：電力系統；諧波；危害；抑制方法

1 電力系統中諧波的來源

電力系統當中，從發電到輸電，再到用電，各個環節都可能成為諧波的來源，只是他們在表現形式上有所差別。

1.1 發電環節

傳統的發電形式主要還是依靠火力發電、水力發電和核能發電為主，具體的比重因各國的能源資源的構成不同而異。而隨著化石能源的日益短缺，能源耗盡危機的不斷加重，人們開始追求清潔的、無污染的、可再生的綠色新能源。對于發電系統來說，可再生的綠色發電形式主要是風能發電、太陽能發電、燃料電池發電等，這些發電形式大多以非正弦、非工頻的形式供電，而想要接入傳統的公用電網，必須通過電力電子電能轉換裝置將非正弦、非工頻的電源轉換為正弦、工頻的交流電源，從而實現不同頻率的電源或電網的同步運行。。比如在輸送風電的過程中，一般采用變頻裝置將風電接人電網，在此過程中，變頻裝置將會向電網注入一定數量的諧波，使得電網諧波來源更加復雜。除此之外，在發電機方面，由于發電機的三相繞組不可能制作的完全對稱，鐵芯也不可能完全的均勻一致，因此也會有諧波的產生，當然，由此產生的諧波通常影響很小。

1.2 輸配電環節

隨著柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術的快速發展，大量的電力電子裝置被引入電力系統中，比如用于提供無功功率補償功能的靜態無功補償器、用于提高輸電線路輸電容量和改善線路運行情況的可控串聯補償裝置以及用于高壓直流輸電技術的高壓直流換流器等，這些電力電子裝置雖然靈活的控制了電網的運行，保證電能安全、穩定、經濟、高效的輸送，但由其產生的諧波給電力系統帶來了不小的副作用。

1.3 用電環節

隨著電力電子技術的長足發展，一些大功率的開關器件構成的新型電器產品越來越被廣泛應用，他們大多采用非正弦的電流方式用電，對于電力系統來講屬于非線性負載，其在節能方面確實產生了一定的作用，但是，這些以非正弦電流方式用電的新型非線性負載已經成為當今電力負載中最主要的諧波源。他們主要包括，由可控硅、IGBT構成的焊接電源、開關電源、充電裝置等整流設備、采用相位控制的變頻裝置、非線性伏安特性的氣體放電設備、以及具有調壓整流裝置的家用電器等。

2 電力系統中諧波的危害

電力系統中的諧波與功率因數下降、電磁干擾共同構成電力系統的三大公害，它嚴重影響著電力系統的穩定性，危害著電力系統的發供電設備的正常運行。對于輸電線路來講，產生的諧波電流會在輸電線路中產生網損，降低電能傳輸的效率，由諧波電流在輸電線路中產生的電壓壓降，降低了電網中的電壓質量；對于輸電線路中的電氣裝置來講，特別是電磁式、感應式和晶體管式繼電器，畸變的諧波會使其產生誤動作或者不動作，將嚴重的影響著供配電系統的正常運行，而具有電磁繞組及鐵芯的變壓器和電動機由于諧波的存在將會使繞組和鐵芯線圈額外發熱，增加損耗，降低了其使用的壽命；對用電設備來講，諧波會對計算機、通訊系統等產生干擾，影響其工作精度，會使電視機或其他顯示設備的畫面產生畸變，影響畫面質量。除此之外，隨著科技的進步，電力電子技術的不斷發展，更高精度的儀器和復雜的控制系統對電網的質量的要求會越來越高，這將會使得諧波的危害越來越明顯，這不僅會對我國工業造成巨大的經濟損失，更會嚴重的阻礙著我國工業水平的進步。

3 電力系統中諧波的抑制方法

現代電氣抑制諧波的方法主要分兩種，一種是為諧波源安裝諧波補償裝置，一種是對電力設備進行改造，使其不產生或者產生不超限額的諧波。

安裝諧波補償裝置屬于補救性措施，即在已經產生諧波的設備或系統中加裝諧波補償裝置，這樣的補償裝置主要包括三種，一種是由LC組成的無源濾波器，一種是有源濾波器，一種是混合型有源濾波器。無源濾波器結構簡單、費用低、容易實現，是應用范圍最廣的手段，它的工作原理是將LC電路調諧到與諧波相同的電流頻率并產生諧振，然后利用低阻抗的支路將諧波過濾掉。有源濾波器是近幾年才得到快速發展的一種濾波技術，它是通過檢測諧波電流，然后再向系統中注入一個與檢測的諧波電流大小相同、相位相反的諧波電流，兩個諧波電流相互抵消達到了系統的正常運行。混合型有源濾波器是綜合了無源濾波器和有源濾波器的優點發展起來的，有源濾波器用來快速地補償諧波，而無源濾波器可以同時進行諧波過濾和無功補償，提高了濾波補償的效率。

對電力設備進行改造屬于防御性措施，目的是在電氣工程設計方面就充分考慮諧波的問題，盡可能的減少諧波的產生，或者將諧波控制在一定限額內。實踐中發現，對電力設備的改造不可能完全的消除諧波，其危害依然會存在。

4 結論

就目前的電力系統而言，諧波源存在于發供用電的各個環節，諧波源的存在嚴重影響了電網的質量以及運行的穩定，隨著電力電子技術的不斷發展，各種大功率整流設備的廣泛應用，諧波的危害作用將會愈加凸顯，其表現形式會更加復雜，造成的經濟損失會更加巨大，這是我們的電力系統的必然挑戰，也是我們輸電技術發展的重要契機。