電力系統中的諧波檢測和抑制技術探討

陳浩鋼，饒 偲

（國網黃岡供電公司，黃岡 438000）

近年來，配電網系統不斷發展，家用電器、換流器以及變頻調速等設備逐年增加，其在電力系統中的電流與電壓用電特性會發生一定的變化，進而產生諧波，其一方面會對供電質量產生污染，另一方面會給社會經濟帶來一定的損失[1]，因此對電力系統諧波檢測及抑制控制尤為重要。

1 諧波的產生及危害

諧波主要指的是電流中所有頻率達到基波整倍的電量的現象，多伴隨整流設備負載，容易引起電網電壓波動及不對稱等。盡管非線性負載的使用能夠對正弦輸入效率起到提升作用，然而也容易引發一系列不良后果，電流波形會偏離正弦進而出現畸變現象，使電壓波出現畸變，進而在負載電流中形成諧波，誘發諧波污染問題[2]。諧波的危害性較為嚴重，凡設備經過之處都會對其周圍環境產生污染，甚至干擾附近設備，影響到電能的正常傳輸，降低電能生產率與利用率，嚴重時甚至會導致絕緣故障及燒毀等，引起不安全事件的發生。

2 電力系統中的諧波檢測技術

為確保電力系統的平穩運行，首先要對負載電流諧波分量予以實時的檢測，然后再結合補償器需求，給予任意波形補償電流，常見的諧波電流檢測方法有以下幾種：

2.1 帶阻濾波法

帶阻濾波法主要是采用低組濾波器阻斷基波分量，進而得到總諧波電流量的方法，該檢測技術操作簡單，然而精度存在一定的不足，難以滿足諧波分析的多方面需求，在電力系統濾波檢測中應用不多。

2.2 帶通選頻法與FFT 變換檢測法

帶通選頻法主要是在多個窄帶濾波器的作用下，對各次的諧波分量進行逐次選取。該方法將模擬濾波器作為基礎，其元件復雜多樣，精度會受到多種因素的影響。FFT 變換檢測法則主要依據的是數字信號處理技術，其首先對信號進行采樣，然后經過A/D 的轉換作用，將信號輸入到單片機，在單片機上進行相應的計算與處理[3]。該方法能夠獲得各次諧波信號相位及頻率，應用簡單，具有較高的檢測精準度，在諧波檢測與頻譜分析中得到了廣泛地應用。然而該檢測方法也存在一定的缺陷，其實時性較差，當對非整數次諧波進行檢測時容易發生柵欄現象，出現諧波幅值及相角等誤差。

2.3 瞬時無功功率諧波電流檢測法

瞬時無功功率理論最早由二十世紀八十年代日本學者提出，簡單表示為p-q 理論，其為電力諧波量的檢測提供了重要的理論支持，該理論使得電力有源濾波論在工業中得以應用，其瞬時有功功率p 及瞬時無功功率q 均含有直流分量與交流分量，表示為

根據直流分量可以得到被檢測的電流的基波分量情況，基波分量與總電流的差便是諧波電流。該檢測技術對零序分量情況未給予重視，再加上系統的不對稱，導致瞬時無功平均分量與三相平均無功不一致。因此，該檢測技術多用于三相電壓正弦及對稱三相電路諧波檢測。

3 電力系統中的諧波抑制技術

3.1 利用無源濾波器

無源濾波器依據的是諧振原理，在濾波電路的作用下對需消除的高次諧波予以調諧處理，該抑制技術能夠確保諧振阻抗達到最低，只要將其安置在諧波附近便能夠對諧波電流進行吸收，防止諧波電流進入電網，對諧波產生抑制作用。常見的無源濾波器有以下幾種：（1）單調諧濾波器，其主要針對某一次諧波進行設計，相當于一個低阻通道，一旦系統中出現該次濾波便能夠對其產生容抗作用，將諧波消除。（2）雙調諧濾波器。其由兩個單調諧濾波器并聯而成，能夠同時對兩種頻率濾波進行吸收，其結構較為復雜，但對基波損耗小。（3）二階減幅濾波器。其主要是與單調諧波濾波器配合使用，對高于某次的諧波阻抗相對較小，能夠將高于該次以上的諧波進行濾除，其不僅能夠減少對濾波器的損耗，而且阻抗頻率特性好，應用廣泛。

3.2 利用有源電力濾波器

有源電力濾波器具有較快的響應速度與高度可控性，一方面能夠對各次濾波起到補償作用，另一方面能夠對電壓閃變起到抑制作用，對無功電流予以補償，且體積與質量較小、便于攜帶。有源電力濾波器自適應能力較強，能夠對補償變化中的諧波進行自動跟蹤及補償，對于頻率及幅值不斷變化中的諧波也能夠進行補償，且無需較大的元件，響應速度快，不會受到電網阻抗的影響，能夠避免電網阻抗的諧振風險，對串并聯諧振現象起到抑制作用。除此之外，在有源電力濾波器作用下，采用一臺裝置便能夠實現對多次諧波電流以及非整數倍次諧波電流的同時補償，在補償期間還可以選擇集中補償或單獨補償，效率高。但該抑制方式也存在一定的不足，經過改進及元件的增加，其結構較為復雜，成本有所增加。

3.3 利用主動諧波抑制

諧波產生原理認為當整流相數增加時，網側電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近[4]。以晶匣管三相橋式整流電路為例，其中僅有n 次奇次諧波，高次諧波振幅值更低，提示諧波次數的增加會降低振幅值。另外采用波形疊加法也能夠對諧波進行抑制。采用兩臺逆變器，能夠確保其電壓在副邊出現疊加，輸出波形半周內都會保持60度間隙，此時第二胎逆變器較第一臺會出現36度波形相移。那么在變壓器副邊上五次諧波能夠實現同時抵消，效率較高。

3.4 增加整流變壓器二次側整流相數

針對帶有整流元件設備，可以最大化提高整流相數或脈動數，能夠對低次特征諧波起到良好的消除作用，這一措施在應用能夠降低諧波源出現的諧波含量，通常在工程設計中也就需要考慮到這一點。整流器在整個供電系統中屬于是一個重要的諧波源，因此在交流側出現的高次諧波是tK1次諧波，所以在整流裝置中的6脈動諧波次數為n=6K1，在對其相數提高到12脈動情況下，所得到的諧波次數為n=12K1（其中K 為正整數），以此即能夠對5、7等次諧波起到消除作用，所以在諧波抑制中加大整流的相數或脈動數，能夠對低次諧波起到良好的消除作用。但是這一方法在應用中目前還處于理論階段，實際中因為投資較高，但是所取到的諧波消除效果不夠顯著，因此通常是將這一方法應用在大容量的整流裝置負載。

3.5 整流電路的多重化

整流電路實現多重化，也就是實現多個方波的疊加，可以實現對次數較低諧波起到消除作用，能夠獲取和正弦波比較接近的階梯波。重數越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在過程中的電路復雜度也會提升。所以這一方法只能夠在大容量場合中應用。同時，這一方法不但能夠降低交流輸入電流諧波，也有助于降低直流輸出電壓中的諧波幅值，與此同時也有助于提升紋波頻率。這一方法在應用中實現和PWM 技術結合應用，也就能夠獲取更好的諧波抑制效果，這一方法在橋式整流電路中的應用，有助于降低輸入電流的諧波。

4 結束語

新時期，電力系統得到了前所未有的發展，接入設備不斷豐富、類型多樣，其在一定程度上增加了電力網絡結構的復雜性，因此，必須加強對電力系統諧波問題的重視度，給予有效的檢測與抑制處理，降低諧波危害。