變電站諧波形成原因與消除方法

趙紀威

摘 要：諧波會降低電能質量，影響電力系統安全運行，因此諧波的治理一直成為國內外研究的熱點。文章對諧波的危害、形成原因及分析方法進行了闡述，并對治理和消除諧波的措施進行了探討。

關鍵詞：變電站；諧波；原因；消除方法

中圖分類號：TN912.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0069-02

1 諧波成分對電力系統的危害

正常交流電為工頻正弦波形，除此以外的雜波成分皆可歸為諧波。由于電力系統中設備眾多，當存在使波形畸變因素時就可能形成諧波，例如變壓器、電抗器、非線性用電設備都是諧波源。變電站除了變壓器以外，還有大量的電氣設備，其中不乏非線性電氣設備，因此變電站中存在著多種諧波源。諧波成分對電力系統的危害主要表現在：

①增加電能損耗，如增加變壓器銅損與渦流損耗，增加輸電線路附加損耗等；

②加速設備損壞，如促使變壓器過熱而損壞，電容器鼓肚或支路上熔絲群爆等；

③使繼電保護誤動或測量失準，如使互感器、電能表測量誤差增大，繼保及自動裝置出現誤動作；

④對電子設備和通信產生干擾。由于諧波形成的原因和特性都非常復雜，因此分析諧波形成原因和治理方法具有重要的現實意義。

2 諧波分析方法與形成原因

2.1 諧波分析方法

分析和研究諧波都是從傅里葉級數開始的。對于任一滿足狄里赫利條件的周期波形都可展開成一個收斂的傅里葉級數，如下式所示：

f（t）=A0+[Ahcos（hω0t）+Bhsin（hω0t）] （1）

式（1）還可表示為：

f（t）=A0+Chsin（hω0t+ψh） （2）

式（1）、（2）中，f（t）是周期為T=2π/ω0的函數，Chsin（hω0t+ψh）表示幅值為Ch、周期為T=2π/（hω0）、相位為ψh的第h次諧波。其他符號意義如下：

A0=f（t）dt=f（t）dx（x=ω0t） （3）

A0=f（t）cos（hω0t）dt=f（t）cos（hx）dx （4）

A0=f（t）sin（hω0t）dt=f（t）sin（hx）dx （5）

其中

Ch=，ψh=arctan（Ah/Bh），C1sin（ω0t+ψ1）

稱為基波分量。通過式（1）、（2）可知，諧波頻率為基波頻率的整數倍，當諧波頻率等于3倍基波頻率時稱為三次諧波，如果諧波頻率等于5倍基波頻率時則稱為五次諧波。基于傅里葉級數原理的諧波分解圖，如圖1所示。

2.2 諧波形成原因分析

2.2.1 正弦供電電壓加在非線性負荷上

諧波產生的根本原因是在正弦供電電壓加在非線性負荷上，它產生的電流不再是完全的正弦波形。同時因系統阻抗的存在，該電流產生的電壓降也是非正弦的，這樣就會引起負荷端的電壓畸變。

2.2.2 變壓器的影響

在變電站中，變壓器是一個諧波源，由于變壓器的磁性材料大都工作在非線性或接近非線性的區域，這種情況下即使加入正弦電壓，勵磁電流也是非正弦的，因而電流中不可避免含有諧波成分，并以3次諧波為主。同樣的道理，假如變壓器勵磁電流波形是正弦的，但電壓也是非正弦的。類似的情況還包括電抗器等感性設備。

2.2.3 其他非線設備的影響

變電站負載中若含有電弧爐、旋轉電機、晶閘管控制設備等大量的非線性設備，則會引入諧波成分。旋轉電機的線圈是嵌入線槽內的，由于線槽不可能做成完全正弦分布，所以產生的磁動勢必然畸變。家用電器、水銀燈、熒光燈等也是諧波源，雖然就單體來說諧波量不大，但數量大，分布廣，也會對電力系統產生較明顯的影響。隨著整流器、開關電源、晶閘管控制系統等電力電子設備廣泛應用，它們產生的諧波成分同樣不容小視。

2.2.4 其他原因

另外，如果發電質量不高，即發電設備的諧波成分未受到有效抑制，注入電網后也是不可忽視的諧波源。

3 治理和消除諧波的方法

3.1 諧波治理策略

治理諧波主要從三個方向入手，即受端治理、主動治理和被動治理[4]。

受端治理是從受到諧波影響的設備或系統角度進行治理，例如改變供電方式，對諧波源和系統其他設備采取分別供電的方式，以避免系統其他設備受到諧波影響；將電容器組一些支路的串聯電抗器改為濾波器，或減少電容器組的投入容量等。

主動治理是直接針對諧波源進行治理，例如改變諧波源工作方式、增加變流裝置、諧波疊加技術等。

被動治理是通過外加濾波器方式減少或消除電力系統中諧波成分流入負載端，例如設置無功濾波器PF、在諧波源附近的公用電網節點配置有源濾波器（串聯或并聯）等。

主動治理和受端治理更傾向于主動預防，而被動治理則是一種補救性的措施。這三種策略各有優劣，應結合實際情況采用。

3.2 諧波濾波器的選用

3.2.1 諧波濾波器的分類

諧波濾波器是用于消除諧波的裝置，主要包括無源濾波器（LC）和有源濾波器（APF）兩大類。LC濾波器主要以電感、電容串聯或并聯方式，調諧到某個特定的諧波頻率，以此抵消掉該頻率的諧波。

LC濾波器按照電感、電容的配置方法，又分為串聯調諧濾波器、雙帶通濾波器、阻尼濾波器、解諧濾波器等類型。APF通過加入電源來補償主電路的諧波，它克服了LC濾波器受電網阻抗制約的特性，適用于動態濾波，其接入電網的方式有串聯型、并聯型及混合型三種方式。串聯方式可阻止諧波電流傳送，并聯方式可減少電網中的諧波分量，但一般以并聯為主。

3.2.2 諧波濾波器的選用

選擇濾波器的一個重要參數是品質因數（Q），它決定了調諧的尖銳程度，可按計算

Q=X0/R

式中，

X0為電感或電容的電抗；

R為電阻。

Q=30～60的濾波器主要用于治理低次諧波（如5次），而Q=0.5～5的濾波器專用于消除高次諧波（17次以上）。另一個參數是失諧因素（δ），可按計算

δ=（ω-ωn）/ωn

也常用：

δ=（Δf/fn）+[（ΔL/Ln）+（ΔC/Cn）]

來表示。

3.3 有源濾波器的應用

并聯型APF主要由主電路、指令電流檢測、電流跟蹤控制三部分組成，首檢測負載電壓、電流參數和諧波分量，然后根據檢測出的諧波分量和補償電流數據對畸變的電流波形進行補償。諧波檢測采用雙閉環控制，要求對電網側的電流與電壓、補償側的電流、直流側電壓等參數進行精確采樣。

為了確保APF平穩投入，在初始階段就要對直流側電容進行預充電。采用Matlab進行了仿真測試，未補償前諧波含量接近30%，波形畸變得很厲害，無法滿足相關標準要求。經APF補償后諧波含量下降到不足3%，而且波形平穩圓滑，趨近正弦波，已達到相關標準對諧波的要求。APF與LC濾波器相比，后者超調量很大，而前者幾乎沒有超調，可見APF在變電站諧波消除方面很有優勢。

4 結 語

變電站是電力系統的樞紐，除了發電端的諧波源、自身諧波源以外，還是眾多小型諧波源匯聚之處，因此為了改善電能質量，提高電力系統的穩定性，需要對變電站諧波污染進行有效的治理。目前，諧波治理方法有多種，應結合各變電站的諧波特征，并綜合經濟性、適應性、安全性和兼容性，這樣才能選出最佳方案。

參考文獻：

[1] 李秋華.淺析諧波治理技術及在變電站中的應用[J].信息系統工程，2014，（1）.

[2] 林新.變電站諧波治理及無功補償的應用[J].云南電力技術，2013，（3）.

[3] 牛聰.針對某變電站的諧波分析與治理[J].燈與照明，2014，（1）.

[4] 黃萍，晏遠進，李翠珍，等.基于RTDS的某110 kV變電站諧波治理措施的研究與仿真分析[J].通訊世界，2014，（8）.