電力系統諧波的產生及抑制方法探討

劉金寶

摘 要：當前電網運行過程中，諧波、功率因數下降及電磁干擾作為三大公害對電力系統的正常運行產生了較大的影響，嚴重時還會對電氣設備的正常運行帶來較大的威脅。這三大公害的存在嚴重影響著電力系統運行的可靠性。特別是近年來諧波的影響在不斷加劇，因此需要對諧波及其來源進行分析，明確諧波可能對電力系統帶來的危害，從而提出切實可行的措施來抑制諧波的產生。

關鍵詞：電力系統；諧波；來源；危害；抑制方法

前言

近年來電力電子技術得以廣泛的應用，無論是家用電器還是變流裝置在應用過程中都會導致供電系統非線性負載大幅度增加，從而導致電網產生大量的高次諧波。這些諧波在電力系統中存在，當運行時間較長時，則會導致能量損耗、變壓器過熱及絕緣老化等現象發生，從而使電力系統處于不安全的運行狀態，因此需要針對電力系統運行過程中諧波的來源及危害，從而對諧波采取有效的抑制方法，確保電網能夠安全、穩定的運行。

1 諧波定義及特征

1.1 供電系統諧波的定義

當對供電系統運行過程中的周期性非正弦電量進行分解時，所得到的分量一部分與電網基波頻率相同，另一部分分量大于電網基波頻率，因此將這部分電量稱為諧波。諧波次數則是諧波頻率與基波頻率的比值。在電網運行過程中，也存在著一些非整數倍諧波，即非諧波或是分數諧波。諧波對于電網運行過程中的干擾因素，會對正常運行的電力系統帶來一定的干擾，影響電力系統運行的安全性和穩定性。

1.2 電力諧波的特征

在電力系統運行過程中，在理想狀態下，三相交流發電機所發出來的電壓波形為正弦波形，即在只有線性元件的簡單電路里其電流和電壓則會呈現為正比例的關系，而所流運的電流也是正弦波。但在供電系統實際運行過程中，非線性負荷的存在具有不可避免性，這也就導致電流和電壓無法呈現出線性關系，從而導致非正弦電流產生，而負荷圖形也都屬于非對稱性。在負荷不斷變化下，負荷圖形的斜率也會隨之而發生改變。而且對于任何壩基性的波形來講，都可以將其進行分解，會得到一個基頻正弦和許多諧波頻率的正弦。通常情況下，諧波頻率為基頻的整倍數，而且當電流波形出現畸變時，還會有多次諧波產生。對于所產生的諧波，其電流量與電網的參數并不存在什么關系，主要由諧波源設備本身的特性及工作狀況決定，可將其視為恒流源。各種晶閘管電路上所產生的諧波稱為該電流的特征諧波，主要取決于電路的形式。

2 電力系統中諧波的來源

2.1 發電環節

長期以來各國根據自身的能源資源構成多采用火力、炎力及核能等形式來進行發電。但近年來化石資源短缺的現象日益嚴重，能源危機不斷加劇，在這種情況下，人們對綠色新能源更加青睞，一些清潔、無污染及可再生的綠色能源開始在發電系統中進行就用，多以風能、太陽能及燃料電池等為主。利用這些種類能源進行發電時其發電形式多以非正弦及非工頻的形式為主，這就需要在將其接入電網過程中需要毛毛蟲用電力電子電能轉換裝置，將這些電源進行轉換，以正弦及工頻的交流電源形式從而使不同頻率的電源及電網能夠處于同步運行。但在這種過程中，如由變頻裝置來將風能接入電網時，則需要由變頻裝置裝一定數量的諧波注入到電網中，這則會導致電網中諧波來源越來越復雜化。另外，發電機三相繞組及鐵芯等在運行過程中也不可處于完全一致性，不可避免的會有諧波產生。

2.2 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。

2.3 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，它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。

3 電力系統中諧波的危害

電力系統中諧波的存在對電力系統運行的穩定性帶來了較為嚴重的影響，直接威脅電力系統發供電設備正常的運行。在電力系統輸電線路中，諧波的產生會導致網損產生，同時還會導致電能傳輸效率降低，嚴重影響電網中電壓質量。而且在輸電線路運行過程中，由于存在畸變的諧波，則會導致各種不同種類的繼電器有誤動作及不動作的現象發生，不利于供配電系統運行的安全性。當諧波存時，變壓器和電動機運行過程中繞組及鐵芯線圈會存在額外發熱的情況，導致損耗增加，對其使用壽命具有較大的影響。而且諧波存時，還會對計算機和通訊系統的正常運行帶來不同程度的干擾，使其工作的精度受到影響，甚至導致畫面出現畸變，使畫面質量下降。而且隨著科學技術的快速發展，儀器開始向更高精度的方向發展，控制系統越來越復雜化，人們對電網質量的要求不斷提升，這也會導致諧波的危害更加明顯，諧波會成為當前我國工業快速發展的重要阻力，使工業發生過程中會有巨大的經濟損失產生。

4 電力系統中諧波的抑制方法

當前電力系統中為了能夠有效的對諧波進行抑制，通常會通過二種方法來進行，即安裝諧波補償裝置和對電力設備進行改造。

首先，安裝諧波補償裝置。這是一種補救性措施，通常是將諧波補償裝置安裝在已經產生諧波的設備和系統中，補償裝置以無源濾波器、有源濾波器及混合型有源濾波器為主。當前應用最廣的當屬于無源濾波器，其不僅結構簡單，而且費用較低。近年來隨著濾波技術的快速發展，有源濾波器得到產生，其主要是通過對諧波電流進行檢測，然后將與檢測諧波大小電波相同及相位相反的諧振波電流注入到系統中，兩個諧波電流在相互抵銷過程中確保了系統能夠安全、正常的運行。將無源濾波器和有源濾波器的優點有效的綜合在一起，從而形成混合型有源濾波器，不僅可以實現諧波的快速補償，而且可以實現對諧波進行過濾及無功補償，確保了濾波補償效率的提升。

其次，改造電力設備。這是一種防御性措施，在電氣工程設計時就對諧波因素進行充分考慮，從而采取有效措施來實現對諧振波進行控制，盡管這種對電力設備進行改造的方法無法完全消除諧波，但對于諧波的產生能夠產生一定的抑制作用，減輕諧波所帶來的危害。

5 結束語

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。

參考文獻

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