淺析電力系統中諧波的危害及其抑制措施

淺析電力系統中諧波的危害及其抑制措施

王江

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

摘要：電力系統中諧波的存在對供電安全及電能質量有著很大的危害，抑制諧波對保證電力安全及電能質量有著重要的意義。現簡要介紹電力系統中諧波產生的原因和危害，并總結抑制諧波危害的措施。

關鍵詞：電力系統；諧波；抑制；無源濾波；有源濾波

收稿日期:2015-05-28

作者簡介：王江(1987—)，男，湖北黃岡人，助理工程師，電力調度，研究方向：電氣運行與調度。

0引言

諧波是指電流中所含有的頻率為基波頻率整數倍的分量，一般指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。在電力系統中，諧波產生的根本原因是非線性負載的存在，當電流流過非線性負載時，電流與所加電壓不成線性關系，就形成非正弦電流，即電路中產生了諧波。諧波導致的壓降和波形畸變將導致供電質量下降，還會對電力系統中各一、二次設備產生不利的影響。本文通過分析諧波產生的原因及造成的危害，提出一些抑制諧波的方法。

1諧波的危害

諧波對電力系統的安全穩定及經濟運行有著巨大的危害，還會對電氣設備造成損害，主要表現在以下幾個方面：

1.1使電能質量下降

諧波的存在會使系統電壓發生畸變，增加用電設備的功率消耗，降低電力系統功率因數。

1.2對電氣設備的影響

(1) 增加輸電線路損耗。諧波電流在輸電線路上產生諧波壓降，還會增加輸電線路的電流有效值，導致輸電線路的附加損耗。

(2) 增加變壓器損耗。諧波會使得變壓器的電阻損耗、渦流損耗及因漏磁而產生的雜散損耗增加，3的倍數次的諧波會在三角形接法的繞組內產生環流，使繞組發熱。

(3) 縮短電力電容器壽命。諧波的存在會使得電壓中含有尖頂波形，當諧波和基波電壓產生疊加時，峰值電壓的上升會使得電容器的介質變得更容易導電，電壓升高10%會導致電容器壽命縮短一半。

(4) 增加感應電動機的損耗和發熱，且當電動機的諧波電流頻率接近零配件的固有頻率時，會使電動機產生較大的震動及較大的噪音。

1.3對繼電保護的影響

諧波會影響繼電保護和自動化設備的正常工作，對于按照基波負序量整定的繼電保護來說，當系統發生諧波畸變時，數字式繼電保護的數據采樣和過零工作會產生誤差，導致繼電保護誤動/拒動、保護失靈或保護裝置動作不穩定。諧波的存在還會導致電力計量上的誤差。

1.4干擾通訊網絡

在通訊線路和電力線路距離較近時，線路間的電磁感應和靜電感應會使周圍形成電場和磁場的耦合，從而降低通訊信號的強度，使信號質量下降，通話質量降低，嚴重的還會導致對人身有危害的過電壓。

2抑制諧波的方法

為了提高供電質量，我們必須減少諧波的危害。抑制諧波主要可從以下兩個方面著手：一是改造用電設備使之不產生或少產生諧波；二是外加濾波器，過濾諧波源產生的諧波。

對于改造用電設備來說，主要方法就是采用脈寬調制、增加整流裝置的脈動數、多重化接線以及加入濾波裝置等。當整流相數增加一倍時，諧波電流可以下降3/4，整流設備產生的諧波得以有效減少。對于工廠用電還可考慮加裝無功補償裝置，在諧波源處安裝并聯無功補償裝置，可以有效減小諧波量，且起到穩定電壓和提高系統功率因數的作用。

抑制諧波的另外一個方法就是加裝濾波器，濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，目前國內采用較多的是無源濾波器。

2.1無源電力濾波器

無源電力濾波器(PPF)又稱LC濾波器，它是由電容、電感和電阻串聯接地后再與負載線路并聯，并按照一定參數相互配置的一種濾波裝置。無源電力濾波器是目前采用比較廣泛的一種裝置，其原理是在諧波頻率時容抗和感抗相等而相互抵消，此時電感和電容工作在串聯諧振的狀態下，此過程稱為調諧。濾波電路的電阻為低阻值電阻，在調諧頻率上，濾波器對外表現為低阻抗，這樣高次諧波就會通過濾波器經低阻進入大地，從而被消除。對于非調諧的基波，濾波器表現為高阻抗，基波無法通過濾波器，對其影響很小。

無源濾波器又分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器和高通濾波器。

2.1.1　單調諧濾波器

單調諧濾波器只能濾除單一頻率的諧波，單調諧濾波器對n次諧波的阻抗為：

單調諧濾波器發生諧振時，諧振頻率為：

在諧振的時候，感抗和容抗相互抵消，Zfn=Rfn，n次諧波流入濾波器被消除。而對于其他頻率的諧波，Zfn?Rfn，基波和其他頻率的諧波無法流入濾波器，不會被濾波器濾除。從以上分析可知，將濾波器的諧振頻率和需要濾除的諧波頻率設置相同，就可以將該諧波濾除，而對于基波和其他頻率的諧波幾乎沒有影響。

2.1.2　雙調諧濾波器

雙調諧濾波器原理圖如圖1所示，雙調諧濾波器有兩個諧振頻率，可以同時吸收兩個頻率的諧波。雙調諧濾波器的阻抗可以看作由C1、L1、R1組成的串聯阻抗Z1和由C2、R2與L2、R3組成的并聯阻抗Z2的疊加，總的阻抗為Z=Z1+Z2。雙調諧濾波器并聯支路的基波阻抗遠小于串聯支路的基波阻抗，并聯支路所承受的基波電壓也遠小于串聯支路的基波電壓，此類濾波器在高壓直流輸電中得到了廣泛的應用。

圖1　雙調諧濾波器原理圖

2.1.3　高通濾波器

高通濾波器在無限大至截止頻率范圍內，其阻抗是一個與它的電阻同數量級的較低阻抗，所以高通濾波器對截止頻率以上的高次諧波有很好的濾除作用。高通濾波器分為一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和C型高通濾波器，實踐中二階高通濾波器應用最為廣泛。在實際應用中通常采用若干組單調諧濾波器與一組高通濾波器相互配合來濾除諧波，減小母線電壓畸變率。

無源濾波器具有成本低廉、結構簡單的優點，在濾除諧波的同時，還能補償無功，提高系統功率因數，實際應用最為廣泛。但是其諧振頻率對元件參數依賴程度很高，只能濾除主要諧波，電容、電感參數發生漂移時會極大地影響濾波性能，性能不夠穩定。

2.2有源電力濾波器

有源電力濾波器(APF)是一種可以實時監測系統中的諧波并進行實時補償的主動型諧波濾除裝置。有源電力濾波器能對頻率和幅值都在變化的諧波進行動態的跟蹤補償，而且其補償特性和系統阻抗無關，和傳統的無源電力濾波器相比，是一種更加先進的濾波方法。

有源電力濾波器原理圖如圖2所示，其原理為：對補償對象進行實時電流監測，提取出諧波電流，之后控制單元控制補償裝置產生一個補償電流，這一電流和諧波電流極性相反、幅值相等，剛好可以將諧波完全抵消。這種濾波方式能夠跟蹤補償頻率和幅值實時變化的諧波，而且其補償特性不受電網的影響，未來應用前景廣闊。

圖2　有源電力濾波器原理圖

2.3混合型電力濾波器

由于高頻變流器容量有限，而且其造價隨容量增加而急劇增加，于是便有了PPF和APF結合的混合型電力濾波器(HAPF)。在使用中，PPF和APF按照頻率分段各自完成濾波功能。由PPF濾除低次諧波，APF濾除高次諧波，或者反過來，由APF濾除低次諧波，PPF濾除高次諧波。這種方法結合了無源濾波器和有源濾波器各自的優點，補償容量可以做到很大，且成本較低。

3結語

諧波會造成電力系統的污染，影響電能質量，威脅電力系統安全平穩運行。制定綜合動態的諧波防治措施并同時解決無功補償問題，是電力系統當前面臨的一大難題。在設計和制造非線性負載時采用較好的諧波抑制措施，能夠改善整個電網的電能質量，也能減少諧波對用戶電氣設備的損害。而混合型電力濾波器的使用能大范圍消除諧波的影響，對提高電網電能質量效果顯著。

[參考文獻]

[1]Wakileh George J.電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計[M].徐政，譯.北京：機械工業出版社，2003.

[2] 童先立，鄔輝.電力系統諧波及濾波技術[J].江西電力職業技術學院學報，2013(4) .

[3] 羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.