電力系統諧波檢測與治理的研究

【摘要】目前隨著電力電子技術的發展，各類變頻設備廣泛應用于電力系統中。由于大量電力電子設備以及非線性負載的接入，電力系統中混有越來越多的諧波和間諧波。目前，諧波與電磁干擾，功率因素降低并列為電力系統的三大公害，諧波會導致電能質量的下降，這就使得用電設備以及電網在一定程度上會受到影響。因而了解諧波產生的機理，研究和清除供配電系統中的高次諧波，對改善供電質量，確保電力系統安全，經濟運行都有著十分重要的意義。

【關鍵詞】電力系統；電能質量；諧波；檢測；抑制

一、研究意義及研究背景

電力系統輸送給用戶的電能，如果能保持恒定的幅值和工作頻率，這種狀態被稱為電力系統理想的運行狀態。但是，在實際輸電過程中，因為頻率會在一定的范圍內產生波動，導致電壓也會在一定范圍內產生波動，所以這種理想的輸電狀態現在看來是不能做到的。一般意義上，對電能的分析往往只注意的問題是頻率和電壓的偏差。現代社會，電氣化被廣泛應用在許多領域，電氣化設備的大量投入，使電力系統使用的人數更多、人群更加復雜，對電氣化的研究和分析的重點和內容也變的越來越復雜。對電能質量要氣更高簡單的頻率和電壓偏差問題已不足，研究更多的內容為閃變和電壓變動的問題。

二、電力系統諧波檢測的方法

諧波測量是目前解決諧波問題的基礎和主要依據，我們通過對諧波的檢測，能夠實現實時監測電網中諧波的含量及潮流方向，計量各次諧波含量，諧波電壓電流幅值，相位等其它參數，從而提高和計量儀表的準確性，對諧波源進行分析，尋找諧波補償和治理方法，提高電網質量。諧波由于具有分布性，隨機性，非線性，非平穩性等其它一系列復雜特征，通常難以對諧波進行準確有效的測量，因此許多學者對諧波測量問題進行廣泛而深入的研究。目前諧波測量方法按照其測量原理可以分大致分為以下幾類：1、模擬濾波器法；2、基于瞬時無功功率理論的測量方法；3、基于傅里葉變換理論的測量方法；4、基于神經網絡理論的測量方法；5、基于小波變換理論的測量方法；6、基于虛擬儀器的諧波測量方法。

三、電力系統諧波抑制的理論及方法

1、引言

在工業產業化和信息產業化飛速發展的今天，人們對電能質量的要求也在同時提高。但電子裝置由于會受到自身非線性因素的干擾，使得電子器件、電力設備已成為電網中最重要的一類諧波源，電流、電壓波形和不對稱對電網造成更嚴重的失真，進而造成的后果比較厲害。將電流諧波控制在限定值之內并且能夠控制或者消除注入系統的電壓諧波。這就是我們對諧波進行處理和完善的目的。

對系統中的諧波進行抑制主要有兩種思路。一種是被動型思路。通過利用諧波補償裝置來對系統進行諧波補償；另一種思路是主動型，即對設備本身進行一定程度的改造，使諧波在設備中不能夠產生，進而使其與功率有關因素控制在1內，目前這僅適用于最為主要諧波源的電力電子裝置。在目前現有的諧波抑制技術當中，PPF、APF、HAPF等通常稱呼為被動型抑制，而對電力電子設備自身進行升級改造以及開發新型的低諧波變流器則是稱為主動型抑制。

2、被動型諧波抑制技術

（1）無源濾波器

LC無源濾波設備我們通常又稱為無源濾波設備，是一種非常容易見到的并能對諧波進行處理的設備，其構造為拓撲形狀，并按照特定的某些參數進行配置而結合成的。通過為諧波提供高的抗阻路徑，并在有所保留的前提下而使基波短路，不注入系統但要通過濾波器。由各種電器原件適當組合而構成的濾波設備在與基波源串聯的情況下，將需要消除的間諧波次數與濾波器振動次數設為一樣的，該次基波大部分便會注入到濾波設備中，既可用于彌補不利波行，同時電感還可以彌補功率的有效部分，進而改善系統的因素和功率效果。單調諧濾波器，高通濾波器和雙調諧濾波器是無源濾波設備常見的三種類型。

單調諧濾波設備主要是根據電容的諧振、電感的并聯等原理而設計的。要想使流入到濾波設備的不利波行能被掉除，只需將要濾除部分的基波次數與濾波設備的振動次數保持一致便行，從而到清除的效果。高通濾波設備同時又可分為以下幾類：一階，二階，三階以及C型高通濾波器。針對兩個單調濾波我們主要采用雙調濾波器來代替，由于該濾波器能夠減少基波損耗，并且成本具有成本低的優點，在高通直流輸電工程中因而可以被廣泛應用。無源濾波器由于結構簡單，設備的投資較少，運行可靠性較高，運行費用較低，因而被廣泛應用。但其主要缺點是由于補償頻帶窄，且只能消除特定的幾次諧波，并且會對其他某些次諧波產生放大作用；補償特性容易受運行狀態和電網阻抗的影響，并且容易同系統一起發生并聯諧振，并導致諧波放大，從而使得濾波器過載，嚴重甚至會燒毀。此外，濾波裝置自身笨重，體積較大，損耗也大。

（2）有源電力濾波器

有源電力濾波設備簡稱為APF，是電力系統中一類電子重要的電力設備，并且其彌補特性不再會受到系統電力抗阻的干擾。

①有源電力濾波設備運行的原理及工作方式

有源濾波器的工作原理實質就是對信號檢測單元中檢測到的負載電流進行實時電流分離，從而得到諧波電流分量和基波無功電流分量，控制單元將其反相后，然后再將其作為補充電流的指令信號，主電路產生補償電流跟蹤指令信號，控制單元計算出經驅動電路后，并給功率單元的驅動供給觸發脈沖，補償功率單元的主電路會產生有效的補償電流，使得電網中電流部分僅含有基波分量，從而達到無功補償和消除諧波的目的。

②有源濾波設備常見的類型及其原理

按照連接方式來對APF進行串-并劃分將其概括為三類型，并聯、串聯型和串-并聯型。其工作原理是彌補對象中檢驗出電流后，經命令電流運算電路計算得到補償電流的指令信號，該信號經補償電壓后，電路中電壓被放大，從而得出彌補電流。而由補償裝置產生的補償電流與諧波電流大小相等并且極性相反，當補償電流與諧波電流相加后，電網中只含有基波電流分量。

四、結論

在電力系統中，諧波的檢測和抑制直接影響著電能的質量。能否有效的檢測和抑制諧波意義重大。論文針對諧波檢測和抑制方法主要有模擬濾波和基于傅里葉變換的頻域分析法、基于小波變換理論的測量方法和基于虛擬儀器的諧波測量方法等電力系統諧波測量方法，利用MATLAB進行了諧波檢測和抑制濾波，驗證了三種方法在不同電力輸送環境中諧波檢測和抑制的有效性，得到了滿意的效果。

【參考文獻】

[1] 肖湘寧， 電能質量分析與控制[M]. 北京：中國電力出版社， 2004.

[2] 李紅， 楊善水. 電力系統諧波檢測的現狀與發展[M]. 現代電子技術， 2004（9）：81-84.

【作者簡介】

郝靜（1977—），女，漢族，內蒙古包頭人，本科學歷，包頭輕工職業技術學院自動化學院講師，研究方向：電氣工程自動化電力。