電力系統諧波分析與治理

摘 要：近十多年來，由于電力電子制造技術和變流技術的突破與發展，同時電力電子設備的工作可靠性得到了很大的提高，在電力系統中得到了廣泛的應用，一方面它提高了我們的生產效率，改善了我們的生活，另一方面大量的非線性電力電子設備的使用將會產生大量的諧波，輕則降低設備的運行效率，嚴重時將損壞設備。因此，分析諧波產生的原因，采取消除諧波的措施，減輕諧波的危害具有重要的實際意義。

關鍵詞：電力系統；諧波；治理

引言

自從采用交流電作為電能輸送的一種方式起，電力設計中就力求降低電壓、電流波形畸變，使其波形接近正弦波，讓諧波限制在一個可以接受的水平。但近十多年來隨著非線性電力電子設備的大量使用，使得諧波污染問題變得日益嚴重，有時甚至損壞設備，這引起了人們對這一問題的關注。

1 諧波產生的原因

在電力系統中，非線性設備的使用是諧波產生的根本原因。當正弦交流電源流經非線性負載時，電流的大小與所加的電壓并不呈線性關系，電流為非正弦波，即回路中產生了諧波。諧波主要由現代電力電子非線性設備產生，如熒光燈、電子控制裝置和開關、電源、晶閘管控制設備等。

2 諧波畸變對電力系統的影響及治理的意義

諧波的危害主要為：（1）諧波會影響一些電氣設備的正常工作。如諧波會使電力電容器、電力電纜等設備過熱、加速設備絕緣老化、縮短使用壽命，有時甚至會損壞設備；諧波會讓電機產生機械振動、產生噪聲外，還會增加附加損耗，使電機局部過熱嚴重。（2）諧波的存在會降低系統中發、輸變電設備的使用效率，同時會使電網中的設備產生附加的損耗；（3）諧波在某些特定的條件下會引起并聯或

串聯諧振，放大特定頻率的諧波，這就使上述（1）和（2）的危害進一步增加，有時甚至損壞設備；（4）諧波會對鄰近的通信系統產生噪聲干擾，降低通信質量；嚴重時會導致信息丟失，使通信中斷；（5）諧波也會導致電網中繼電保護和自動裝置不正確動作，會使電氣測量儀表和計量裝置不準確。

綜上所述，治理諧波使其限制在一個較低的無危害的水平具有重要意義。

3 諧波治理的方法

治理諧波的方法可分為兩種，一種方法是采用有源或無源濾波器，濾除電網中既存的諧波；另一種方法則是避免諧波的產生，即使用產生較小諧波或不產生諧波的設備，如采用多脈沖變流器的相位抵消消除諧波。第一種方法為補救性措施，適用于諧波危害已經存在的場合，第二種方法則是預防性的措施，所使用設備不會產生諧波或產生的諧波在可接受的范圍，因為所使用的設備不會產生諧波或產生的諧波在可接受的程度，當然也就不存在諧波問題了。

采用何種方法解決諧波問題，需考慮多種因素，如設備的電壓等級、安裝容量、設備產生的諧波對其它設備的影響、各種方法的改造費用等等。文章主要對工程中常用的無源濾波器和有源濾波器的構成、濾波原理及其優缺點進行簡單介紹。

3.1 無源濾波器

無源濾波器由于結構簡單，經濟，并且運行經驗豐富而得到了廣泛的使用。常用的無源濾波器由主要由電容器和電抗器串聯或并聯而成，并調諧在某個需要的頻率上。無源濾波器在其調諧頻率處阻抗理論上為零，因此可以濾除掉諧波。

實踐證明，在電力系統中根據諧波的具體情況安裝消除相應頻率的無源諧波濾除裝置能有效地減小此特定頻率的諧波。按接入系統的方式不同分兩類，并聯接入系統的為并聯型無源濾波器，串聯接入系統的為串聯型無源濾波器。

3.1.1 并聯型無源濾波器

并聯型無源濾波器主要是由濾波電容器、電抗器和電阻器采用適當的連接方式而構成的諧波濾除裝置，它與諧波源相并聯，它不僅能濾除諧波，還能達到無功補償的功能。工程中常用的無源濾波器主要有：a.單調諧濾波器；b.雙調諧濾波器；c.一階高通濾波器；d.二階高通濾波器；e.三階高通濾波器；f.C型高通濾波器，共六種，其結構如圖1所示。

單調諧濾波器是在工程中最常見的濾波器，由串聯的L、C、R構成的，如圖1-a，當濾波器的諧振頻率與要濾除的諧波的頻率一致時即可濾除相應次的諧波。單調諧濾波器在工程中應用最多，最廣泛，當要濾除特定次諧波時電容器和電抗器的選擇如下：

在實際工程中，無源并聯濾波器往往兼有無功補償和改善功率因數的雙重功能，一般是先計算需要補償無功的容量，再來確定相應電抗器的容量，一般采用基波時電抗器占電容器補償容量的百分數表示。為了能在限制諧波電流的同時不發生諧振，在工程中需選擇電抗器和電容器的參數使之偏離各次諧波的諧振點，如為了濾除5次和3次諧波，在高壓供配電系統中，電抗器容量SL和電容器容量SC比常選擇為5%和12%，而在低壓配電系統中，電抗器容量SL和電容器容量SC比常選擇為7%和14%。

除了常用的單調諧濾波器外，還有雙調諧濾波器，其結構如圖1-b所示，由電路理論知識我們知道它具有兩個諧振頻率，能同時吸收兩個不同頻率的諧波，其濾波效果相當于兩個單調諧濾波器。雙調諧濾波器的優點是基波損耗小，但結構復雜，調諧困難，故很少采用。

除單調諧和雙調諧濾波器外，還有高通濾波器，它一般用來濾除高次諧波，高通濾波器也稱減幅濾波器，主要有一階、二階、三階和C型四種，其結構分別見圖1-c、圖1-d、圖1-e、圖1-f。一階高通濾波器因為電容大，故基波損耗大，實標工程中一般不采用。濾波性能最好的是二階高通濾波器，但缺點是基波損耗較大。三階高通濾波器因為是比二階高通濾波器多了一個電容器C2，提高了濾波器對基波頻率的阻抗，減少了基波的損耗，故三階高通濾波器比二階高通濾波器的基波的損耗小。C型高通濾波器的性能介于二階高通濾波器和三階高通濾波器之間，C2和L調諧在基波頻率上，減小基波阻抗，減少了基波損耗，但它的缺點是對元件參數變比和基波頻率偏移敏感。工程實際中二階高通濾波器還是最常用的高通濾波器。

3.1.2 串聯型無源濾波器

串聯型無源濾波器一般由電容器與電抗器串聯構成，并且串聯連接在電源與負荷之間。其工作原理是使濾波器中串聯的電容和電感諧振點為工頻頻率，當將其串聯在電源與負荷之間時，由于對工頻阻抗很小，但對諧波的阻抗卻很大，這樣工頻電流可以正常通過，但會阻礙諧波電流的流動，當諧波的頻率偏離得越多，對該次諧波的阻抗也越大，濾除效果也越好。串聯型無源濾波器最大的特點是只需要用一個濾波器就能夠消除掉所有的諧波。

由于串聯型無源濾波器串聯在電路主回路中，當濾波器故障時會影響供電的可靠性，必要的時候可增加旁路回路以提高供電可靠性。

3.2 有源濾波器

近年來發展起來的有源濾波器是一種由電力電子器件構成的諧波濾除裝置、其通過檢測回路中的諧波電流，控制電力電子器件即時產生一個電流注入到系統中，此電流大小與諧波的電流大小完全相等，但方向相反，于是消除了相應的諧波，達到了濾除諧波的目的，有源濾波器能夠同時對不同大小和頻率的諧波進行快速的跟蹤濾除。之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器只能被動吸收固定頻率的諧波而言，有源濾波器通過檢測回路中負載電流，通過計算進行各次諧波的分離，控制并輸出一個電流，抵銷負載中的諧波電流，實現實時動態跟蹤補償，有源濾波器在濾除諧波的同時還可補償無功和三相的不平衡。

有源濾波器諧波治理效果比無源濾波器更好，理論上一臺裝置就可以濾除所有諧波，并且不會引起系統諧振等問題，但是現階段造價相對較高。

4 結論與建議

由于諧波對電力系統中設備的不利影響，為了保證電力系統中設備的安全穩定運行，必須將諧波限制在一個較低的無危害的水平。減小或消除諧波的主要技術包括：（1）使用較大脈沖數的變流器，利

用電力變壓器相位抵消消除諧波；（2）在無功補償電容器組回路中串聯電抗器來濾除某特定次諧波；（3）采用三角形聯結的變壓器來限制諧波的影響范圍；（4）采用無源濾波器和有源濾波器濾除諧波，當采用無源濾波器時，應考慮躲開無源濾波器與系統的諧振點。

參考文獻

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