淺析電力系統中的諧波治理技術

黃曉東　羅太堅　張揚　康甫　盧國權

摘要：近年來，社會進步迅速，當今社會科學技術日新月異，電力電子技術更是得到了迅猛發展，為人類社會的進步提供有力保障，各類變流裝置在工業、供電系統等行業中有著廣泛的應用范圍，在提高用電質量的同時也帶來了許多新問題。工業、供電系統中的輸電、用電設施不再是傳統的電壓器、變壓器、電機等設備，而是進化為大量的調壓變頻設備等感性、非線性負載，還包括一些需要頻繁啟停的大功率設備。這些設備在正常使用過程中因其非線性特性會產生許多不同頻次的諧波電流，既會互相影響還會干擾其他的輸配電設施，造成電流和電壓波形的失真，一方面減少電能的使用效率，浪費大量電能資源，另外還會干擾輸配電設施正常工作甚至影響其使用壽命。因此關于公用電網的電能使用情況得到了越來越多的關注，許多科研人員投身到該行業中，通過無功補償、諧波抑制等方式提高電能質量，減少資源浪費，加強電網的安全性和穩定性。

關鍵詞：電力系統;諧波治理;技術

引言

近年來隨著現代工業化、電氣化的快速發展，在電力系統中各種大功率荷載的投入使用和系統自身非線性器件的原因使得系統中的電壓、電流波形畸變越來越嚴重，由此構成的危害影響不容忽視，進行有效的抑制諧波和消除治理是十分重要的。

1電力諧波對供配電系統的影響分析

1.1 對變壓器的影響

在電力系統中，變壓器起到核心性作用，但是如果電力系統中有諧波產生，且諧波電流對變壓器造成了影響，造成變壓器絕緣老化、發熱、功耗增加等問題，就會使其工作效率降低，甚至使其停止運行時，整個供電網絡的運行都將受到不利影響，嚴重時甚至會造成供電網絡癱瘓的后果。同時，在電流從電力設備中通過時，各電力設備中都會有諧波產生，且不同設備的諧波頻率會有所不同，這些諧波的影響作用會相互疊加，進而在很大程度上干擾變壓器的穩定運行。如果變壓器的運行不能維持在穩定狀態，電力系統中的電流情況也將會受到不利影響，這些不穩定的電流從變頻器中通過，就會讓變頻器產生的諧波更加嚴重，變壓器也會受到更大的影響。這樣的惡性循環不僅嚴重影響變壓器的工作效率，而且將縮短其使用壽命，直接影響供電企業的經濟效益。

1.2 對電容補償設備的影響

在電力系統中，如果諧波頻率發生變化，帶有電容補償的諧波阻抗也會隨之變化，所以整個系統可以是容性系統，也可以是感性系統。如果系統中的諧波頻率到了某一個數值，且系統中的感抗遠遠超過系統的容抗，在大量的諧波電流作用之下，電容器和電力系統中的其他設備之間就會產生串聯諧振或者并聯諧振，諧波電流也會進一步被放大，容易引起諧波過電流或者是過電壓現象，熔斷電容器中的保護熔管，甚至燒毀電容器。而電容器一旦被燒毀，整個電氣回路中其他設備的安全運行也都將受到嚴重的不利影響。

2電力系統中的諧波治理技術

2.1構建監測機制

對于諧波的抑制與消除，不僅要在技術上進行防治，而且還要建設一個監測機制，實施制度和監測相結合，為電力網絡的綜合監管、動態評估和防治災害提供支持保障。構建監測機制可以從以下幾方面進行。（1）建立信息技術平臺和數據庫。建設現代化的電力系統監測網絡平臺，采用先進、科學的監測技術通過儀器對電力系統進行監測，并通過監測系統分析精準找出諧波污染源位置和原因，為抑制和消除提供措施保障。（2）用戶和監測機制的應用。對系統本身和用戶使用的設備產品是否符合行業或國家規范要求進行監測，杜絕諧波污染源的產生，對使用設備的數據進行采集，分析諧波產生原因、特點，提供科學合理的調控，增強抑制效果。（3）監測和評估一體化機制。建立行之有效的監督和安全防護評估機制，對電力系統制定更高的技術標準和規范要求管理，是電力系統安全運行的保障，是有效節能、減少污染和降低運營成本的管理手段之一。

2.2有源電力濾波器（APF）

APF是目前主流的諧波治理方式，可以有效補償頻率和幅值均變化的諧波。APF按接入方式分類可分為串聯型、并聯型和串并聯型三種。圖二為串聯型APF拓撲，該裝置可以作為受控電壓源，其主要功能是消除電網中的電壓型諧波，改善電壓波動等常見質量問題，提高電網的工作穩定性。串聯型APF在工作過程中需要負載電路中的全部電流，功率損壞會比較嚴重，再加上其投切、保護等動作相對復雜，因此現在應用范圍非常小。裝置通過向電網中投入與諧波源所產生的諧波電流相同大小但方向相反的電流，這樣可以有效抑制諧波電流擴散。與串聯型APF對比，并聯型APF的投切、保護等操作起來更加安全和方便，同時還能對電網進行無功功率補償，因此這種方式是目前實際應用中最為廣泛。

2.3傳統諧波抑制方法

傳統的諧波治理主要是通過對諧波源本身進行抑制，將諧波本身的電流和電壓控制在安全規定范圍值之內，傳統方法有以下幾種。（1）在系統設計中增加變壓器等換流裝置的相數或脈沖數，其目的是對整流器件設備所產生的低次諧波進行抑制，理論上可以實現消除5、7等次諧波，但在實際中由于投資過大等原因，該法常在大容量荷載的抑制治理中使用。（2）對于大諧波源，通常是改變其接入點。由于高壓電網的短路容量大，有承擔較大諧波的能力，把產生大諧波的設備盡量接入高一級電網的母線，或增加非線性負荷到對諧波敏感負荷之間的電氣距離，合理改善供電環境。（3）三相整流變壓器采用Y-d或D、Y的接線。這種接線法可以消除3的整倍數高次諧波，使磁通在變壓器繞組及副邊繞組內產生的3的倍數次的高次諧波電流在接線繞組內形成環流而不注入系統。（4）采用多重整流電路，將多個方波進行疊加形成階梯波，使之接近于正弦波，從而減少和消除次數較低的諧波，達到抑制的效果。

3結語

電力諧波會對供配電系統的正常運行帶來很大程度的不利影響。所以，相關單位應該對此加以重視，并通過合理的策略來進行諧波治理。這樣才可以有效保障電力系統的正常運行，提升設備的運行安全和使用壽命，滿足人們的用電需求，促進電力企業經濟效益的提升。

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