電力系統(tǒng)諧波分析與抑制措施

王春麗

（上海蒙福隴化學(xué)工程有限公司，河南 洛陽 471000 ）

電力系統(tǒng)諧波分析與抑制措施

王春麗

（上海蒙福隴化學(xué)工程有限公司，河南 洛陽 471000 ）

隨著科技的發(fā)展，非線性負(fù)荷得到廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波含量大幅增加，危及了電網(wǎng)的安全運行，同時電氣設(shè)備的突發(fā)性故障大幅增加，給企業(yè)、用戶造成難以估量的損失，因此對電力系統(tǒng)諧波的分析與解決方案的提出變得尤為重要。

非線性負(fù)荷；電力系統(tǒng)；諧波抑制

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，電能質(zhì)量問題已經(jīng)成為目前電網(wǎng)必須面對的一個關(guān)鍵問題。 一方面不斷增多的諧波污染源在電網(wǎng)中存在，并且傳遞疊加甚至放大影響，同時其范圍不僅僅局限于某些地區(qū)；另一方面，低壓用電客戶使用的某些新式電器對諧波含量極其敏感，從而導(dǎo)致由供電諧波引發(fā)的居民用電異常事件。

2 電力系統(tǒng)中諧波的來源

電力系統(tǒng)中的諧波主要源自兩個方面。首先是自身攜帶的諧波，其次是電網(wǎng)用戶非線性設(shè)備注入的諧波。

2.1 自身攜帶的諧波包括

1）發(fā)供電系統(tǒng)中，由于受到鐵心齒槽和工藝的影響，導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙呈不均勻分布。雖然每相電勢的波形對稱，但是有一定數(shù)量的奇次諧波必然有存在于三相電勢中。

2）輸配電系統(tǒng)中，奇次諧波成分存在于變壓器的勵磁電流中。因此電網(wǎng)主要的穩(wěn)定性諧波源是在變壓器過勵磁或空載時產(chǎn)生的諧波。

3）電網(wǎng)的突發(fā)性諧波源是當(dāng)電網(wǎng)中投切電容器或空載變壓器時，其產(chǎn)生的合閘涌流注入電網(wǎng)而形成的。

供電系統(tǒng)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的非線性負(fù)載。在這些非線性用電設(shè)備中，從大容量高電壓的工業(yè)交直流變換裝置到小容量低電壓的家用電器，都已經(jīng)是產(chǎn)生諧波的重要原因。

3 諧波的危害

當(dāng)諧波注入電力系統(tǒng)時，將會造成電網(wǎng)的電氣運行環(huán)境嚴(yán)重惡化，并且危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，同時，還會威脅到電網(wǎng)電氣設(shè)備和用戶用電設(shè)備的安全。

首先，諧波的產(chǎn)生與輸送對整個電網(wǎng)來說，將會在電網(wǎng)中增大網(wǎng)損，降低傳輸電能的效率；諧波電流在線路中導(dǎo)致畸變壓降，降低了電網(wǎng)的電壓質(zhì)量；電源電壓的工作效能由于新型非線性負(fù)載的間斷性用電方式而降低；交流電能傳輸中的電氣環(huán)境由于諧波電流而惡化，易引發(fā)系統(tǒng)崩潰。

其次，由于電氣設(shè)備是按照工頻正弦電流工作方式設(shè)計的，對電網(wǎng)中的電氣設(shè)備而言，其最佳工作狀態(tài)往往會被諧波電流所影響。例如：諧波電流有可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的工作紊亂；諧波電流會對電磁設(shè)備的繞組及鐵芯增加損耗，引起額外發(fā)熱，降低電磁設(shè)備的使用壽命；諧波電流可能會降低斷路器和熔斷器等設(shè)備的開斷能力；諧波電流還會引起電力測量的誤差，影響了功率處理器互感器的測量精度。

對電力用戶而言，諧波會導(dǎo)致日光燈的整流器及補(bǔ)償用電容器過熱；諧波會損壞影響顯示器的畫面質(zhì)量，影響清晰度；諧波會引起其他用戶的功率開關(guān)器件故障或誤動作；同時，諧波會對計算機(jī)通信系統(tǒng)等產(chǎn)生干擾。

此外，工業(yè)生產(chǎn)中的許多精密儀器，隨著工控技術(shù)的發(fā)展，其復(fù)雜的控制系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求也不斷提高，諧波電流有可能會使工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4 抑制諧波的措施

4.1 在諧波源處采取措施吸收諧波

基于此，在正式的自貿(mào)港方案呼之欲出之際，本文結(jié)合全球自貿(mào)港演變規(guī)律和發(fā)展趨勢，以及我國自由貿(mào)易區(qū)制度改革進(jìn)展，對我國自由貿(mào)易港政策實施路徑和要點進(jìn)行了展望。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國主要商業(yè)銀行自由貿(mào)易區(qū)業(yè)務(wù)開展現(xiàn)狀，提出了我國商業(yè)銀行服務(wù)自由貿(mào)易港區(qū)的業(yè)務(wù)策略建議。

對已有的諧波進(jìn)行有效的抑制是這類方法的主要目標(biāo)。截至目前為止，這是電網(wǎng)中被使用最為廣泛的抑制諧波方式。無源濾波裝置和有源濾波裝置是使用最為常見的濾波裝置，下面就這幾種諧波抑制方式的特點以及應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

4.1.1 無源諧波濾除裝置

將電容器與電抗器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，然后并聯(lián)于電網(wǎng)中，即可構(gòu)成無源濾波裝置。目前，市場上采取較多的就是這種濾波方法，雖然濾波效果較差，但是成本較低，用戶易于接受。將LC串聯(lián)回路的諧振頻率設(shè)定得與需要濾除的諧波頻率一致，以實現(xiàn)濾除特定次諧波的目的。但是如果諧振頻率設(shè)定得不好，則會與電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。

4.1.2 有源諧波濾除裝置

基于無源濾波裝置的發(fā)展形成了有源諧波濾除裝置，主要由電力電子元器件組成其電路，可以產(chǎn)生一種與電力系統(tǒng)的諧波頻率、幅值均相同但是同時相位相反的諧波電流，可與電網(wǎng)中的諧波電流相抵消。在其額定的無功功率范圍內(nèi)，有源諧波濾除裝置的濾波是100%的，但由于其制作較之無源濾波裝置復(fù)雜得多，且受到電力電子元件額定電流，耐壓的限制，成本也就相應(yīng)高得多了。其主要應(yīng)用在計算機(jī)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)中，特別是樓宇的供電系統(tǒng)，以及工業(yè)上的供電系統(tǒng)。

4.1.3 加裝靜止無功補(bǔ)償裝置

電弧爐、電力機(jī)車等能夠產(chǎn)生快速變化的諧波源，在產(chǎn)生諧波的同時，還會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的閃變和波動，造成電力系統(tǒng)的電壓三相不平衡，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化。將靜止無功補(bǔ)償裝置并聯(lián)裝設(shè)在諧波源處，既能有效減小諧波量的波動，又能抑制電壓波動、閃變、三相不平衡，并且還可對功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

4.2 降低諧波源的諧波含量

由于諧波電流近似與諧波次數(shù)成反比，脈動數(shù)增加時諧波次數(shù)也同時增加，通過增加整流裝置的脈動數(shù)，一系列次數(shù)較低、幅值較大的諧波將會被消除，諧波電流隨之減少。

當(dāng)變流器為自關(guān)斷器件設(shè)計或者采用高功率因數(shù)設(shè)計時，采用多重化技術(shù)，通過改變諧波源的配置或者工作方式，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較低，同時波形接近于正弦波，可以使得功率因數(shù)控制為1，變流器產(chǎn)生的諧波非常少。

4.3 供電環(huán)境的改善

諧波源如果由容量較大的供電系統(tǒng)或者高電壓的電網(wǎng)供電時，系統(tǒng)承受諧波的能力將會增強(qiáng)。因此由專門的供電系統(tǒng)對產(chǎn)生諧波的負(fù)荷進(jìn)行供電時，可以降低諧波對其它用電負(fù)荷的影響。通過合理地選擇供配電系統(tǒng)并盡量保持三相電壓平衡，可以將諧波對電網(wǎng)的影響有效地降低。

總之，抑制諧波的方案可分為補(bǔ)救性和預(yù)防性兩種，最終目的是要使系統(tǒng)的諧波含量在符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，同時滿足用戶的要求。

5 結(jié)語

隨著各個行業(yè)非線性元件的大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的諧波問題。諧波產(chǎn)生的原因是多方面的，將非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波準(zhǔn)確測量并得到相應(yīng)的治理是十分必要的。諧波抑制是一個長期的系統(tǒng)工程，設(shè)計出一種高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的濾波器來抑制諧波，達(dá)到既減少諧波侵入電網(wǎng)，又能保證各種電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運行的目的，使電網(wǎng)質(zhì)量符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

［1］葛玉敏，李寶樹.多諧波源系統(tǒng)中利用諧波抑制諧波初探［J］.電氣技術(shù).2008（9）.