供電系統中諧波治理設備的應用淺述

孫　鵬（連云港沃利帕森工程技術有限公司（天津辦公室），天津　300201）

供電系統中諧波治理設備的應用淺述

孫鵬
（連云港沃利帕森工程技術有限公司（天津辦公室），天津300201）

摘要：供電系統中諧波產生量隨著近年來電力迅速發展而大大提升，降低電能質量、引發電能畸變，亟需得到控制。本文結合供電系統諧波特點介紹了可行的諧波治理設備應用方法，著重提出了有源濾波諧波的治理途徑，認為根據實際的供電系統運行特點、容量情況，使用有源濾波器等設備可達到理想的諧波治理效果，促進供電系統功率因數的提升、保障供電系統運行順暢和安全性。

關鍵詞：供電系統；諧波治理設備；應用

我國近年來用電性質、用電量不斷變化，尤其是計算機電源、節能燈、電力電子變頻設備、電熱器等用電設備的大量使用，增加了電力系統的非線性、感性負荷，系統中頻發大容量啟動十分常見。這樣的非線性用電現象會促使諧波電流大量產生，在加大供電系統壓力同時還會產生很大的干擾，諧波污染已經受到社會各界高度關注。供電系統亟需投入有效的諧波治理設備控制諧波污染，以維持供電系統運行的安全性、高效性，降低電能浪費、提升電網功率因數、延長用電設備壽命、提高用電設備效率。有源電力濾波器（APF）是國內外研究深入、廣泛投入的新型電力電子設備，其在電力系統中的使用可達到理想的動態補償、治理諧波目的。

一、諧波治理的背景與意義

電力系統中的諧波為典型正弦波電流分量，其頻率是基波頻率整數倍，主要由整流電路設備運行產生。目前國內工業諧波產生量遠高于生活諧波的產生，此類諧波主要由晶閘管可控開關、PWM變頻器裝置、交直流換流設備產生，也產生于交流電焊機、大功率直流電源電弧爐、中高頻感應爐、可控硅調壓電源電加熱爐等設備運行過程。任由諧波產生會引發電網電壓畸變、降低供電質量、縮短設備壽命、降低設備效率，影響繼電保護裝置、用電計量設備、補償設備、斷路器、變壓器等形成損害，污染電網。選擇合適的諧波治理設備投入使用后，可控制諧波影響下的公共電網附加損耗，將輸電、發電、用電設備效率控制在最小范圍，延緩電纜、電容器等的老化、降低發熱量；防控電網并聯諧振、串聯諧振等的發生，控制諧波電流，保護串聯電抗器、電容器等裝置；維持正常電能計量功能，控制供電系統諧波電流涌入量，避免中線過熱的發生、防控火災等意外事故；降低諧波對信息處理設備、通信設備的干擾，維持較好的通信質量及信息存儲處理能力，幫正工控系統正常高效運行。

二、諧波基本知識

在理想狀態下，電壓和電流波形為正弦波，可是因為電力系統中具備許多非線性阻抗特點的供用電裝置，從而使實際電壓和電流波形和正弦波相偏離，此種現象就稱之為電壓和電流波形的畸變，一般利用諧波進行表示。針對供電系統的周期性變化下的電壓和電流交流量完成傅立葉級數分解，不僅可以獲取和電網基波頻率一致的分量，還可以獲取許多超過電網基波頻率整倍的分量，此部分的分量就是諧波。而諧波頻率和基波頻率響應比值就是諧波次數。電網中還會存在非整數倍的諧波，稱之為非諧波或是分數諧波。一系列擁有非線性阻抗特點或是非正弦電流特點的電氣裝置，在公用電網注入相關諧波電流或是在公用的電網中形成諧波電壓，都被稱之為諧波源。另外，電力系統存在的諧波主要就是一種干擾量，其可以使電網遭受污染，從而對電網相關用戶造成一定影響與干擾，此種污染的危害性相對比較大，同時不容易察覺，會對電網造成難以預料的后果。

三、供電系統諧波治理設備應用

諧波治理設備的使用有助于提升電能質量、供電設備運行有效性及安全性，從源頭上控制諧波的產生，調節可控硅整流設備脈動數防控諧波的產生，并通過調節供電系統饋線參數達到非線性負載諧波補償目的，真正意義上治理諧波。

有源電力濾波器是在功率器件控制精度持續升高、電網質量管理能力不斷上升的基礎上產生和得以運用的，彌補了無緣濾波器的缺陷，提高了諧波治理能力，還有理想的無功補償效果。并聯型有源電力濾波器可輸出負載補償電流，內有濾出開關波紋電流的高通濾波器。此設備主要分為補償電流產生部分、指令電流運算部分組成，后者主要可測定分析補償對象諧波電流、無功電流情況，提取諧波電流、無功電流并由驅動電路、跟蹤控制電路、PWM變流器設備組成補償電流發生部分。PWM變流器為整個設備主電路所在，可產生補償電流而達到逆變器效果，也可實現電網直流側的儲能元件充電而達到整流器運行目的。此種設備運行中主要結合了PT電壓互感設備、CT電流互感設備技術優勢，將供電系統電壓信號、非線性負載電流信號及時獲取并分析處理，搜集諧波電流指令信號、無功電流信號，根據搜集的信號分析結果實現主電路PWM變流設備通斷調控，并輸出相反相位、相同形狀的電網諧波補償電流，有效消除、控制諧波電流，達到提高供電系統運行質量的目的。

有源電力濾波設備的使用在傳統的無源濾波設備基礎上有了很大的改進和提升，對開關頻率范圍之內的諧波有更好的濾除效果，具有強大的指定次數諧波濾除功能，諧波補償更全面、更靈活；對不固定幅值、頻率諧波有快速響應補償效果，且能夠在阻抗、電網頻率影響下保持良好的濾波功能，穩定性強、實時性強；此種設備的使用不會出現過載問題，即便有電網系統中存在很大的諧波電流，依然能夠維持額定容量正常工作，適用性強。

另外，電網固有設備的改良也有助于消除治理諧波。根據電網管理現狀連接電力變壓器繞組也是控制諧波產生的有效方式，若三次及倍數次諧波是主要消除對象，則選擇變壓器三角形連接；要確保發電設備產生標準正弦波型電能，規范基礎設備性能以控制諧波產生；若消除對象主要為5次、7次諧波，可選擇短距繞組；3次及3次倍數次諧波電動勢可通過星形連接消除減弱。整流裝置產生的特征諧波電流次數與脈動數有關，脈動數直接關系到產生諧波的次數，而且兩者成正比關系。功率若在數百kVA之內，則使用PWM脈寬調制技術予以調控，保證電網側電流最小畸變、維持正弦化傳送，并將功率因數控制在1左右。

結語

電能質量的控制效果直接關系電力可持續發展及我國各行各業經濟效益，濾除諧波是保證電能質量、提高用電安全性的第一步。有源濾波設備為代表的先進諧波治理設備對于改善供電系統運行效益和順暢性十分重要，有很高的研究價值與廣闊應用前景。供電系統管理實際過程應引入有源濾波設備共同使用，控制和消除諧波電流，實際電網管理還要根據電網運行特點、環境等現狀選擇功率、容量和構造合適的有源濾波設備安裝于配電室等處，達到最佳諧波治療效果，降低能耗、推動電力行業可持續健康發展。

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