電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)與抑制方法分析

楊銘軒

（廣州蓄能水電廠，廣東廣州,510950）

電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)與抑制方法分析

楊銘軒

（廣州蓄能水電廠，廣東廣州,510950）

電力電子技術(shù)為電力系統(tǒng)提供了高速、高效和節(jié)能的控制手段，但由于電力電子器件所具有的非線性特性，給系統(tǒng)帶來(lái)了諧波污染等問(wèn)題，其影響已經(jīng)危及到用電設(shè)備、變電站設(shè)備和電力系統(tǒng)通信等重要領(lǐng)域。正確地檢測(cè)系統(tǒng)中存在的諧波已顯得非常重要，本文從多個(gè)角度說(shuō)明電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)的原理，同時(shí)針對(duì)性地提出諧波抑制的方法。

電力系統(tǒng)；諧波檢測(cè)；諧波抑制

0 引言

伴隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從工業(yè)用電到整個(gè)供電系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的危害逐步顯示出來(lái)，其影響已經(jīng)危及到用電設(shè)備、變電站設(shè)備和電力系統(tǒng)通信。諧波的檢測(cè)和抑制對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有重要意義。

1 諧波的產(chǎn)生與危害

1.1 諧波的產(chǎn)生

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種大功率開(kāi)關(guān)器件被大量應(yīng)用到各種電源裝置和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，為工業(yè)裝置提供了高速、高效、節(jié)能的理想控制手段，但是，利用開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)電能進(jìn)行有效變換的同時(shí)，裝置本身產(chǎn)生了無(wú)功電流和高次諧波，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的危害。

1.2 諧波的危害

（1）使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)，影響計(jì)量精度；并導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，甚至造成跳閘事故，嚴(yán)重地威脅電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

（2）能直接造成用戶電氣設(shè)備故障。當(dāng)電網(wǎng)中3次、5次或7次諧波電壓含有率達(dá)到10%~20%時(shí)，電動(dòng)機(jī)將在短期內(nèi)損壞。另外，過(guò)去常在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)電容器補(bǔ)償裝置，其對(duì)高次諧波電流具有放大作用，使其在諧波的作用下溫升過(guò)高、電流過(guò)大，以致無(wú)法正常運(yùn)行。

（3）容易使電網(wǎng)與用于補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成過(guò)電壓或過(guò)電流，使電容器絕緣老化，甚至引起嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于諧波問(wèn)題引起的電容故障占電容器總故障的71%~83%。

圖2 .1 p-q法檢測(cè)諧波原理

2 諧波檢測(cè)原理

2.1 基于Fryze時(shí)域分析的有功分離法

主要原理是將負(fù)載電流分解為兩個(gè)分量：一個(gè)分量為與電源電壓波形相同的分量作為有功分量；另一個(gè)作為廣義無(wú)功電流(包括諧波電流)。

G為等效電導(dǎo)，U為u的有效值，P的表達(dá)式為：

基于對(duì)稱三相電路功率定義的Fryze方法受電源結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算結(jié)果與瞬時(shí)無(wú)功功率相同， Fryze功率定義的方法只能計(jì)算出諧波與無(wú)功電流總和，無(wú)法分別檢測(cè)諧波與無(wú)功電流，對(duì)于需要將基波無(wú)功電流和諧波電流分別補(bǔ)償?shù)那闆r，該方法無(wú)法應(yīng)用。

2.2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)

（1）檢測(cè)諧波

（2）檢測(cè)諧波和無(wú)功電流

當(dāng)有源電力濾波器同時(shí)用于補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí)，只需要斷開(kāi)圖2.1中的計(jì)算通道即可，由即可計(jì)算出被檢測(cè)電流、、中的基波有功分量即，。最后，分別在、中減去即可得到三相諧波與無(wú)功分量之和、。

（3）檢測(cè)無(wú)功電流

當(dāng)系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱不含諧波時(shí)，該方法可迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)出被檢電流中的諧波分量和無(wú)功分量，但是當(dāng)系統(tǒng)電壓波形發(fā)生畸變時(shí)，將造成諧波和無(wú)功電流的補(bǔ)償不準(zhǔn)確。

2.3 其它諧波檢測(cè)方法

（1）帶通(帶阻)濾波器檢測(cè)法

一般采用50Hz的帶通或帶阻濾波器把被測(cè)電流中的50Hz基波分量分離出來(lái)而得到諧波電流。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低等。缺點(diǎn)在于，濾波器中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不僅影響檢測(cè)精度，而且檢測(cè)出的諧波電流含有較多的基波分量，大大增加了有源濾波器的容量和運(yùn)行損耗。

（2）快速傅立葉變換法

該方法以Fourier分析為基礎(chǔ)，要求被補(bǔ)償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓模駝t誤差較大。其基本原理是將負(fù)荷電流分解為兩個(gè)正交分量：一個(gè)是與電壓波形完全一致的分量，即有功電流；另一個(gè)分量作為廣義無(wú)功電流，也就是負(fù)荷電流與有功電流的差值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇欲消除的諧波次數(shù)，還可計(jì)算出負(fù)載電流的基波有功和基波無(wú)功分量，而且受環(huán)境因素影響較小。缺點(diǎn)是，要計(jì)算出有功電流，必須對(duì)上一個(gè)電源周期的電壓、電流進(jìn)行積分運(yùn)算，再加上其他運(yùn)算電路所需要的時(shí)間，計(jì)算量很大，因此該方法檢測(cè)出的廣義無(wú)功電流瞬時(shí)值至少有一個(gè)周期以上的時(shí)間延遲。

3 諧波抑制方法分析

電網(wǎng)中諧波的抑制多數(shù)采用無(wú)源電力濾波器（PPF：Passive Power Filter）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，技術(shù)成熟。但這種方法的主要缺點(diǎn)如下：濾波性能受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大；只能抑制按設(shè)計(jì)要求規(guī)定的諧波成分；不能對(duì)諧波實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；可能與電力系統(tǒng)發(fā)生串并聯(lián)諧振等。

目前諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用電力電子裝置對(duì)諧波進(jìn)行抑制，即采用有源電力濾波器（Active Power Filter-APF）技術(shù)抑制諧波。有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，它能對(duì)不斷變化的負(fù)載諧波電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，而不像LC濾波器有強(qiáng)烈的選擇性。有源電力濾波器可以彌補(bǔ)無(wú)源電力濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無(wú)源電力濾波器更好的補(bǔ)償效果，是一種較理想的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的質(zhì)量要求升級(jí)，使得電能質(zhì)量問(wèn)題已越來(lái)越引起用戶和供電部門(mén)的重視。其中“諧波污染”已經(jīng)成為電網(wǎng)內(nèi)三大公害之一，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于諧波問(wèn)題的影響只有各方面都重視起來(lái)，進(jìn)行綜合治理，才能還電力系統(tǒng)一個(gè)干凈的環(huán)境。

[1] 陳堅(jiān). 電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù). 北京：高等教育出版社，2002.

[2] 陳艷惠，黃海鯤崇．基于Fryze功率理論的諧波檢測(cè)算法與p-q算法的一致性[J]．山東電力技術(shù)，2006，(3)：15-16．

Analysis of the Principle for Power System’s Harmonic Monitoring and Suppression

Yang Mingxuan
(Guangzhou pumped storage power plant,Guangzhou,Guangdong,510950)

Power electronics technology provides high-speed,high efficiency and energy saving means of control for power system .However, it deteriorates power quality by injecting the harmonics and reactive current to the network.It has affected many important areas，such as，Electrical equipment，Substation equipment & Power system communication equipment。So it’s becoming very important to monitor power system’s harmonic correctly。This paper explains the principle of power system’s harmonic monitoring from multiple perspectives，and indicates the ways of harmonic suppression.

power system; harmonic monitoring; harmonic suppression