諧波分析與治理措施探討

余海霞

[摘 ?要]電力用戶對電能質量的要求不斷提高，電力用戶已不僅僅關注供電系統電壓和頻率，對供電系統諧波的關注也越來越明顯。因此，研究諧波問題十分必要，供電系統對諧波的管理和監督也日益重視和規范，本文通過電能計量中諧波影響因素的分析，不斷提高電能計量的準確性。

[關鍵詞]電能質量;諧波;治理

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0077-01

引言

電能質量是指首先是合理地反映同電壓關聯緊密的電流改變狀況，除了給用戶供應單一頻率的正弦波之外，還進一步要求該電流的波形同供電電壓的相位一致，供應電能的質量，其技術內涵主要表現為供電的可靠性、穩定性及電壓實際的質量。隨著電力電子技術在各工業部門和用電設備上的廣泛應用，非線性負荷數量越來越多，在電網中產生了大量的諧波污染，降低了電能質量，進而降低機器的使用效率，甚至引起嚴重事故。

1、諧波源

在用電設備中有多種非線性負荷，非線性負荷從電網吸收非正弦電流，引起電網電壓畸變，即所有電壓與電流的關系為非線性的用電設備都是諧波源。諧波即對周期性變流量進行傅里葉級數分解，得到頻率大于1的整數倍極薄頻率的分量。它是由電網中非線性負荷產生，例如可硅控整流裝置，電弧設備、電氣化機車、變壓器等都是高次諧波的電流源，它們接入電網后將使系統母線電壓畸變。間諧波是指非整數倍基波頻率的諧波，這類諧波可以是離散頻譜的或連續頻譜的，但其危害等同于整數次諧波電壓，其抑制與消除卻比整數次諧波困難得多，間諧波電壓是由較大的波動或沖擊性非線性負荷引起的。

2、諧波產生的原因

諧波是存在于電力系統中的一個周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。從大量文獻資料和實際工作經驗可知，供配電系統中的諧波主要有2個方面的來源：一是供配電網系統中大量使用的電力電子設備、變頻調速設備如TCSC、SVC、高壓變頻器、變頻調速控制裝置等，其在運行過程中會產生大量諧波注入到供配電系統污染供電網絡;二是非線性電力用戶在電能消耗過程中會產生相應諧波分量反饋如供配電系統中，對供配電網絡造成污染。據大量統計資料表明，非線性電力用戶在用電過程中產生的諧波分量是供配電網絡中最為主要的諧波源。

3 電能質量的改善措施

3·1 有源電力濾波器

隨著電力電子技術的發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器（APF）。雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點（廣泛用于配電網中），但由于濾波器特性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至發生諧振。APF利用功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為0，達到實時補償諧波電流的目的（如圖1）。APF具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波，具有高度可控和快速響應等特點。有源濾波器分為兩種： 并聯型有源電力濾波器及串聯型電力濾波器。其中并聯型電力濾波器主要解決諧波電流問題; 串聯型電力濾波器主要解決諧波電壓問題。兩種濾波器工作原理基本相同，并聯型有源濾波器檢測負載電流，通過相應算法計算出其諧波電流，然后發出與負載諧波電流大小相等、方向相反的電流，與負載諧波電流相互抵消，以達到減小電網側諧波電流的目的。

3·2 靜止無功發生器

所謂靜止無功發生器（SVG），是指用自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置，它與靜止無功補償（SVC）裝置相比，具有調節速度更快，運行范圍寬等優點，并且在采取多重化、多電平或脈沖寬度調制（PWM）技術等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量，因此在靜止無功發生器進行研究對電能質量的提高具有一定的指導意義。靜止無功發生器的基本原理：就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，通過控制開關器件的通斷，來調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使該電路吸收或發出所需無功電流，從而實現動態無功補償的目的。

與普通無源設備相比，SVG 具有以下優勢：SVG 不會過補也不會欠補，保證 供電 系統 的 用電安全; SVG 實際補償容量和設備容量一致，占地面積不到同容量無源設備的一半; SVG 不會和系統發生諧振，本身諧波含量極低; 響應速度快，全響應時間不到 10ms。無源設備存在后期維護費用高，分級投切容易過補或欠補，易和系統發生諧振，影響配電系統的供電安全，而 SVG 可以很好地解決這些問題。SVG 保證功率因數可以達到 0. 99，平均功率因數達到 0. 97 以上，優于無源設備的補償效果。

3·3諧波發生器的控制

在主電路與控制對象均已確定的情況下，電流控制手段會影響裝置的整體性能。由于電能質量調節器的容量相對較大，對其所用的電力電子器件的安全性和效率要求較高，因此，控制器設計在提高電流跟蹤精度的同時，還應盡量保持逆變器的開關頻率恒定、提高裝置的安全性、提高直流電壓利用率以減小整個裝置的容量和損耗。在UPFC實際應用中一般采用基于PWM的電壓源逆變器作為發生器。現使用較多的控制方法有三角載波線性控制和滯環比較控制、前者是最簡單的控制方法，開關頻率恒定，裝置安全性較高，但響應較慢，精度較低。后者精度較高且響應快，但開關頻率可能波動很大。隨著微機控制技術和數字信號處理技術的迅速發展，控制披術的數字化必將在UPQC中得到進一步的應用、如無差拍控制就是在電流滯環控制技術的基礎上發展起來的全數字化控制技術的范例。

3·4 PWM整流器

以上方法是從補償的角度來改善電能質量。還有一種方法是改進電網中的污染源，使其不對電網產生污染。要對污染源進行改進，首先應考慮對整流器的改進，即所謂的功率因數矯正技術PFC。PFC技術利用一定的控制策略，控制整流器交流側的電流和電壓同相，從而消除整流器對電網的諧波和無功污染。目前，單相PFC技術比較成熟，而三相PFC技術仍處于研究階段。越來越多的應用場合要求能量雙向流動，及時將能量返回電網以節約能源。在各種PFC電路結構中， PWM整流器因其能實現雙向流動而備受關注。

4 結語

諧波已是目前電力系統中不可回避的現象，只要能夠認真對待諧波問題，將會避免諧波產生的危害，為保證電網和用電設備安全經濟運行，凈化電源，提供質量合格的電能。如何不斷的完善電能質量控制技術，使電網能夠更好的服務用戶，提供更加堅實的基礎，將是我們不斷研究和努力探索的方向。

參考文獻：

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