分析電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素及如何對(duì)其抑制

陳登義

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530001）

分析電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素及如何對(duì)其抑制

陳登義

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530001）

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的時(shí)代背景下，大家對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求越來(lái)越高。電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)殡姎忾_(kāi)關(guān)應(yīng)用等原因產(chǎn)生不同類(lèi)型的諧波，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不利影響。電氣系統(tǒng)諧波主要包括暫態(tài)諧波以及穩(wěn)態(tài)諧波。電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生不但會(huì)導(dǎo)致相關(guān)附加損耗的增加，影響換流裝置工作穩(wěn)定性，而且還會(huì)導(dǎo)致通話清晰度下降，引發(fā)電網(wǎng)設(shè)備受損等。在今后的電力系統(tǒng)維護(hù)工作中，必須要針對(duì)諧波進(jìn)行科學(xué)抑制。本文針對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，研究其帶來(lái)的危害，探討諧波抑制的主要途徑，供大家參考和研究。

電力系統(tǒng)；諧波；產(chǎn)生因素；抑制方法

1 前言

針對(duì)電力系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中，除了判斷其電壓以及頻率是否正常外，還可以針對(duì)其波形進(jìn)行研究。在我國(guó)，電力系統(tǒng)波形采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為SOHz的正弦波形。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外針對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及制造的過(guò)程中具備一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于波形提出十分嚴(yán)格的要求，在一定程度上，我們可以認(rèn)為，來(lái)源于發(fā)電機(jī)的電壓波形均屬于標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。然而，近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程不斷推進(jìn)，電氣化發(fā)展也取得明顯進(jìn)步，各種各樣的非線性負(fù)荷開(kāi)始形成。舉個(gè)例子，在冶煉以及電氣化鐵路建設(shè)過(guò)程中開(kāi)始出現(xiàn)變負(fù)荷以及變頻負(fù)荷等不同負(fù)荷，此類(lèi)負(fù)荷的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)在電壓以及電流波形方面出現(xiàn)畸變。針對(duì)一個(gè)非正弦波形，應(yīng)根據(jù)博立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)成基本頻率和2倍以及3倍等數(shù)倍于基本頻率的正弦波形的和。此類(lèi)超過(guò)兩倍的正弦波被納入高次諧波范疇[1]。

2 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素及其危害

2.1 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素

針對(duì)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)的諧波，一般可以劃分為兩大類(lèi)型：①暫態(tài)諧波；②穩(wěn)態(tài)諧波。針對(duì)暫態(tài)諧波，主要是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中選擇應(yīng)用的電氣開(kāi)關(guān)在實(shí)際操作中會(huì)產(chǎn)生此類(lèi)諧波，此外，電力系統(tǒng)中的設(shè)備以及相關(guān)電力設(shè)備如果發(fā)生故障，也會(huì)導(dǎo)致此類(lèi)諧波的形成。針對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波，主要是由電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷誘發(fā)。此類(lèi)非線性負(fù)荷主要包括三種：①電流源諧波；②電壓源諧波；③其他裝置諧波。第一種諧波是因?yàn)榇笮碗娊怆娫吹却蠊β式涣餮b置的應(yīng)用誘發(fā)。第二種諧波主要是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)以及電焊機(jī)等設(shè)備的應(yīng)用引發(fā)。第三種諧波主要是因?yàn)殡娨暀C(jī)以及熒光燈等電力裝置的應(yīng)用引發(fā)，此類(lèi)裝置在單個(gè)功耗方面雖然相對(duì)較少，但是因?yàn)槠鋺?yīng)用相對(duì)較廣泛，數(shù)量也比其他類(lèi)型裝置要多，所以，其對(duì)電力系統(tǒng)注入的諧波分量也并不小。以上幾種諧波中，電流源諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響最突出，電壓源諧波產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。目前，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)際生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用日漸廣泛，其對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成的諧波污染也越來(lái)越嚴(yán)重。電力系統(tǒng)諧波類(lèi)型及其產(chǎn)生因素如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)諧波類(lèi)型及其產(chǎn)生原因

2.2 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的危害

電力系統(tǒng)中，諧波的存在會(huì)引發(fā)下列危害：

（1）諧波電流的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致輸電線路以及電動(dòng)機(jī)等出現(xiàn)附加損耗，造成大電機(jī)以及變壓器產(chǎn)生更多損耗，設(shè)備實(shí)際溫度出現(xiàn)上升，引發(fā)較嚴(yán)重的機(jī)械振動(dòng)，帶來(lái)較大噪聲污染。

（2）諧波中包含的低次諧波會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流裝置在工作過(guò)程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

（3）諧波電流的產(chǎn)生會(huì)給通信設(shè)備及相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備等造成干擾，不利于保證通話的暢通，導(dǎo)致通話清晰度下降，引發(fā)電話鈴誤響的問(wèn)題，此外還可能造成繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)等現(xiàn)象。

（4）如果諧波相對(duì)較嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)消弧線圈在具體滅弧作用方面出現(xiàn)延遲，甚至造成滅弧作用受阻，引發(fā)單相重合閘失敗的問(wèn)題，也可能會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)重合閘時(shí)間出現(xiàn)延長(zhǎng)。

（5）諧波的出現(xiàn)會(huì)對(duì)電能計(jì)量形成不利影響，引發(fā)誤差問(wèn)題。產(chǎn)生諧波的電網(wǎng)會(huì)向電力系統(tǒng)輸送諧波，導(dǎo)致其功率出現(xiàn)少計(jì)量的現(xiàn)象，而受干擾的用戶(hù)不得不吸收那些諧波功率，造成費(fèi)用激增。

（6）諧波的產(chǎn)生會(huì)諧波過(guò)電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備受損。

（7）諧波的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致電容器受損。電力系統(tǒng)中存在的諧波會(huì)給并聯(lián)補(bǔ)償電容器帶來(lái)嚴(yán)重影響，一方面，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)損耗出現(xiàn)上升，諧波次數(shù)越大，造成的損耗越嚴(yán)重，高次含量越大，意味著造成的損耗也隨之增加，如此惡性循環(huán)，會(huì)造成電容器出現(xiàn)熱擊穿的問(wèn)題；另一方面，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象，或者加劇這一問(wèn)題。

3 諧波抑制方法

現(xiàn)階段，針對(duì)諧波進(jìn)行抑制的途徑主要有三種：①?gòu)闹C波發(fā)生源進(jìn)行抑制；②從配電系統(tǒng)進(jìn)行抑制；③從諧波抑制裝置進(jìn)行抑制。本文重點(diǎn)介紹諧波裝置抑制諧波的詳細(xì)做法。

3.1 傳統(tǒng)諧波抑制手段

傳統(tǒng)的諧波抑制操作中，除了另外設(shè)置電力無(wú)緣濾波器之外，還可以針對(duì)變流器二次側(cè)整流具體相數(shù)進(jìn)行增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的有效濾除。另外，要避免并聯(lián)電容器組在諧波方面出現(xiàn)增加。并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，可以針對(duì)功率因素進(jìn)行提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)電壓的有效調(diào)節(jié)。然而，如果諧波出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)參數(shù)下的電容器組會(huì)進(jìn)一步方法諧波。為了防止電容器放大諧波，通常需要針對(duì)于電容串聯(lián)的限流電抗器進(jìn)行改變，或者電容器中部分之路轉(zhuǎn)換為濾波器。也可以針對(duì)電容器實(shí)際投入容量進(jìn)行科學(xué)限制。最后，可以針對(duì)電網(wǎng)短路容量進(jìn)行增加，盡可能促進(jìn)電力設(shè)備在短路比方面的提高，減小諧波對(duì)相關(guān)設(shè)備的干擾。

3.2 新型諧波抑制手段

通常情況下，交流器在高次諧波方面會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的變化而發(fā)生變化，選擇靜止濾波和補(bǔ)償器進(jìn)行應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的徹底濾除，也不能實(shí)現(xiàn)全部補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｈ绻x擇有源濾波器進(jìn)行使用，就能夠獲得良好的諧波濾除效果。有源電力濾波器實(shí)際上屬于大功率波形發(fā)生器的范疇，其針對(duì)諧波進(jìn)行采樣以及180°移相處理之后，可以被全部復(fù)制出來(lái)，并輸送至諧波源入網(wǎng)點(diǎn)[2]。復(fù)制出來(lái)的諧波以及原來(lái)的諧波在幅值上保持一致，但是其方向完全相反，同時(shí)，復(fù)制的諧波會(huì)因?yàn)樵C波發(fā)生變化而出現(xiàn)改變，所以，原諧波能夠因此被抵消掉。有源濾波器可以劃分為兩大部分：①指令電流計(jì)算電路；②補(bǔ)償電流發(fā)生電路。前者主要針對(duì)補(bǔ)償對(duì)象電流中存在的諧波進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)具體的無(wú)功電流分量等。后者綜合分析指令電流針對(duì)電路具體指令信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，形成所需補(bǔ)償電流。有源濾波器工作原理圖參考圖1。該圖1中，E點(diǎn)表示交流電源，其負(fù)載屬于諧波源。通過(guò)APF檢測(cè)，可明確諧波源負(fù)載電流毛具體諧波分量，給予運(yùn)算操作后，順利輸出相關(guān)指令信號(hào)，通過(guò)補(bǔ)償電流進(jìn)行電路電流補(bǔ)償，促使電源側(cè)電源中不存在諧波，而只存在基波。

與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波的有效補(bǔ)償，而且還能夠針對(duì)閃變進(jìn)行有效抑制，同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功，具備極高的應(yīng)用價(jià)值，且價(jià)格合理，經(jīng)濟(jì)性高。有源濾波器的特性不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)阻抗等發(fā)生變化，能夠避免系統(tǒng)阻抗過(guò)程中形成的諧振。有源濾波器具備良好的自適應(yīng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變化中的諧波的自動(dòng)化跟蹤及實(shí)時(shí)補(bǔ)償，顯示出良好的可控性。但是，有源濾波器在有功損耗方面相對(duì)較高，其綜合成本相對(duì)較高，還未能普遍推廣應(yīng)用。

圖1 有源濾波器工作原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

有源濾波器的應(yīng)用能夠避免無(wú)源濾波器在具體運(yùn)行中的各種弊端，克服其與電力系統(tǒng)發(fā)生諧波放大等缺陷，發(fā)揮良好的諧波抑制作用。如果促進(jìn)無(wú)源濾波器以及有源濾波器兩者的有效結(jié)合，形成混合濾波器，可以達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的，充分發(fā)揮兩種濾波器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，該方案同時(shí)也屬于諧波抑制方案研究中的一大重點(diǎn)內(nèi)容。此外，采用單位功率因數(shù)變流器屬于一種新的良好選擇，其應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生諧波，其具體功率因數(shù)等于1，是一種新興變流器，可以促進(jìn)無(wú)功補(bǔ)償以及諧波抑制新技術(shù)研究的向前發(fā)展。

[1]鐘慶，黃凱，王鋼，張堯.不對(duì)稱(chēng)三相電壓下電壓源型換流器諧波分析與抑制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，04：79～85.

[2]范新春.諧波危害及抑制技術(shù)[J].科協(xié)論壇（下半月），2013，10：146～147.

TM711

A

1004-7344（2016）10-0059-02

2016-3-5

陳登義（1979-），男，講師，研究生，主要從事電力系統(tǒng)研究與教學(xué)工作。