配電網諧波的危害及治理對策探究

范鈺博

（國網冀北電力有限公司懷來縣供電分公司，河北 張家口 075400）

在電網系統中，諧波是普遍存在的，并且危害也是巨大的，因此必須要加強對諧波問題的重視，并采取有效的治理措施。文章對配電網諧波進行了分析，指出了其產生原因，并根據原因提出了具體的治理措施。配電網是供電網絡中重要的組成部分，如果發生諧波污染問題將會給供電網絡帶來嚴重危害。因此必須加強對諧波的治理工作，保證電網系統運行的安全、穩定和可靠?；诖?，開展配電網諧波的危害及治理對策的分析研究就顯得尤為必要。

1 諧波的相關概述

在配電網中，由于非線性負載等因素的存在，會產生大量的諧波。諧波會對電力系統產生多種負面影響，如：增加線路損耗、降低功率因數、干擾通信設備等。為了減少諧波對電力系統的影響，可以采取多種措施進行治理。例如：增加變壓器容量、使用無功補償器、安裝濾波器等。這些措施可以有效地減少諧波對電力系統的影響，提高電力系統的穩定性和可靠性。此外，對于配電網中的諧波問題，還可以通過優化電力設備的配置和使用方式來減少諧波的產生。例如，對于非線性負載的設備，可以采取措施將其工作狀態調整至線性狀態，從而減少諧波的產生。通過優化電力設備的配置和使用方式、增加變壓器容量、使用無功補償器、安裝濾波器等措施，可以有效地減少諧波對電力系統的影響，提高電力系統的穩定性和可靠性。

2 諧波的產生原因

諧波的產生有三個主要原因：一是電氣設備方面，例如熒光燈、開關電源以及電力變壓器等；二是輸電線路方面，例如電力電纜以及架空線路等；三是用電設備方面，例如電容器、電抗器以及補償電容器等。諧波產生的原因主要包括以下幾個方面：

1.整流設備產生諧波。在非線性負載中，例如變壓器、電動機以及電抗器等，主要以整流電路為其產生的諧波源。這些非線性設備在運行過程中，會產生大量的基波電壓，從而產生諧波。

2.電容器與電抗器方面。電容器和電抗器都具有非線性特性，在運行過程中，會在電容器上產生諧波電流和諧波電壓，從而導致電網中的諧波電流和諧波電壓出現。

3.變壓器方面。變壓器是一個旋轉電機，主要以磁路飽和為其工作原理。

4.輸電線路方面。輸電線路是電力系統中最主要的傳輸通道之一，其作用主要是將電源輸送到用電設備中，然后再將用電設備使用的電能輸送到電網系統中。如果輸電線路的運行過程中存在諧波電流，那么就會使供電網絡中產生大量的諧波電流。電容器是一個旋轉電機，主要是通過磁極旋轉來實現對電流的控制和調節的，如果電容器發生故障就會導致產生大量的諧波電流，從而影響到電網系統的正常運行。電網系統是電力系統中最為主要的傳輸通道之一。

3 配電網諧波的危害

諧波對配電網系統造成的危害主要體現在以下幾個方面。

3.1 致使電壓波動幅度增大

諧波會使電壓的波動增大，這主要是由于電力系統中存在大量的非線性負荷所造成的，主要有以下幾種：（1）電機的運行產生較大的附加轉矩，并且電機產生的轉矩是隨著頻率改變而改變，如果諧波電流所攜帶的諧波分量達到一定程度時，將會使電機產生較大的附加轉矩；（2）變壓器磁路中存在諧波成分，由于磁路是非線性元件組成，當磁場發生畸變時將會出現磁滯現象，使鐵芯損耗增大，同時還會出現鐵心過熱問題；（3）電壓中含有大量的高次諧波分量，將會使電力系統中各個元件之間發生相互干擾和耦合現象。

3.2 加速電氣設備老化

諧波分量會導致電氣設備的電流和電壓波形發生畸變，從而加速設備的老化和損壞。特別是對于電子設備，諧波分量可能會干擾設備的正常工作，甚至使其無法正常工作，諧波對電氣設備造成的影響主要體現在以下幾個方面：（1）諧波的存在會使電動機產生振動和噪聲。當發生諧波時，電網中將會產生大量的諧波電流，這將使電動機產生很大的震動和噪聲；（2）電動機三相繞組中某相或某幾相有可能會出現不平衡情況，這是因為電流出現畸變時，就會產生與之對應的三次諧波和五次諧波分量；（3）諧波會引起電力系統中電壓和電流波形發生畸變。如果電網中存在大量諧波電流時，將會使電壓和電流波形發生畸變；（4）諧波對變頻器也會產生影響。變頻器中主要有三次、五次及七次諧波電流。當頻率為50Hz 時，其所含諧波成分最大；（5）三相不平衡也是造成電網系統波形畸變的重要原因之一。電網中三相電壓不平衡度超過5%時就會引起電壓波動和閃變[1]。

3.3 影響電力系統運行的穩定性

諧波分量的存在會引起電力系統的不穩定性，從而導致電力系統的電壓、電流和功率因數等參數發生變化。這不僅會降低電力系統的可靠性和穩定性，還可能引起電力系統的失穩和事故。主要體現在以下各方面：（1）在變壓器低壓側裝設電容器組時，電容器組對地有一個電容電流為基波電流的3～5 倍的直流分量。當電容器組中有非線性負荷時，將會導致電容器組所產生的電流不能完全流過電容器組中的電容器，從而會使電容器組中的電流出現非對稱情況；（2）當配電網發生故障時，將會引起系統電壓產生較大波動和閃變現象。當配電網中存在大量的高次諧波時，將會造成低壓母線電壓脈動。如果低壓母線電壓出現脈動現象將會使配電變壓器產生過電壓問題[2]；（3）諧波分量會使得電力質量變差，從而影響用戶的用電體驗，甚至會對人體健康產生危害。

4 配電網諧波治理對策

4.1 案例分析

某配電網從2020 年3 月開始，到2023 年4 月頻繁出現異常故障，致使18 臺電壓互感器出現多次燒毀問題，自動化變電所模塊也出現了頻繁燒毀問題，多處電纜被擊穿，低壓系統也出現了明顯的計量異常情況[3]。為找到引起配電網故障的原因，進行了大范圍測試分析，分析結果表明，引起這些異常問題的原因是配電網中出現了較為嚴重的諧波，需要進行科學有效的治理。

4.2 諧波問題分析

為實現對諧波的有效治理，檢修人員深入諧波發生的現場進行了全方位測試，測試結果表明，在這個配電網中低壓諧波污染問題普遍存在，甚至是一些站點出現了諧波明顯超標的現象，這是引起本配電網配電氣設備和變電所頻繁發生故障的主要原因。為了確保對這一問題的有效解決，應當首先針對諧波源本身或者在諧波周圍采取合理、科學的治理措施。在選擇治理措施時，我們需要綜合考慮諧波的達標水平、成本和技術成熟度等因素，進行合理選擇。對于低壓單變壓器供電系統，可以采用有源濾波治理對策；對于低壓雙變壓器供電系統，可以采用無源濾波治理對策；對于高壓線路上的諧波，則可以采用電抗濾波質量對策。

4.3 有源濾波治理

有源濾波治理諧波的主要原理是利用電力電子器件（如IGBT、MOSFET 等）對諧波分量進行濾波處理。以下是幾種常見的有源濾波方法：

1.基于IGBT 的有源濾波器：由IGBT 管、電感、電容和電阻等元器件組成。其中，電感和電容構成了一個低通濾波器，用于濾除高次諧波分量；電阻則用于限制電流的大小，以避免過流。

2.基于MOSFET 的有源濾波器：與基于IGBT 的有源濾波器類似，但是使用的是MOSFET 管。MOSFET 管的開關速度比IGBT管快，因此可以實現更快的濾波響應[4]。

3.基于LCL 濾波器的有源濾波器：主要由電感和電容構成，其中電感和電容的串聯形式構成了一個LCL濾波器，用于濾除高次諧波分量。

4.基于多電平變換器的有源濾波器：是一種比較高級的濾波方法，它可以將輸入的電壓轉換為多個不同電平的電壓，從而實現對諧波分量的濾波處理。

以上是幾種常見的有源濾波方法，不同的方法適用于不同的諧波分量和濾波要求。在實際應用中，需要根據具體情況選擇合適的濾波方法，并進行相應的參數設計和優化。案例配電網諧波治療中采用了基于IGBT 的有源濾波器，取得良好的治理效果，當輸入電流中存在諧波分量時，IGBT 管會周期性地打開和關閉，使得電感和電容對電流進行濾波處理，從而濾除高次諧波分量。具體的治理方法如下：

1.設計電路拓撲結構：基于IGBT 的有源濾波器的電路拓撲結構一般采用橋式結構，其中電感和電容分別連接在橋式結構的兩個對角線上，IGBT 管則連接在橋式結構的另外兩個對角線上。

2.選擇元器件參數：在設計基于IGBT 的有源濾波器時，需要選擇合適的元器件參數。其中，電感和電容的值需要根據濾波器的截止頻率和負載電流等因素進行選擇；電阻的值則需要根據負載電流和IGBT 管的開關速度等因素進行選擇。

3.控制IGBT 管的開關：在實際應用中，需要通過控制IGBT 管的開關狀態來實現對諧波分量的濾波處理。一般來說，可以采用PWM 控制或者SPWM 控制來控制IGBT 管的開關狀態[5]。

4.4 無源濾波治理

配電網諧波治理中，無源濾波器是一種常用的無源濾波治理技術，它可以有效地濾除配電網中的諧波電流。以下是無源濾波治理技術在配電網諧波治理中的應用：

1.無源濾波器的原理：無源濾波器是利用電感、電容等無源元件構成的濾波器，通過調節元件的參數來濾除諧波電流。它不需要外部電源，不會產生諧波，不會對電網產生額外的干擾，因此被廣泛應用于諧波治理領域。

2.無源濾波器的分類：無源濾波器根據濾波器結構的不同，可以分為串聯型和并聯型兩種。串聯型無源濾波器可以濾除高次諧波，而并聯型無源濾波器可以濾除低次諧波。根據濾波器的結構和濾波效果的不同，可以選擇適合的無源濾波器。

3.無源濾波器的應用：在配電網諧波治理中，無源濾波器可以應用于不同的場合。例如，可以在配電變壓器的低壓側或高壓側安裝無源濾波器，濾除諧波電流，降低諧波污染。同時，還可以在電纜線路、電動機等負載端安裝無源濾波器，提高電力系統的穩定性和可靠性。

4.5 高壓電抗濾波治理

高壓電抗濾波治理技術在配電網諧波治理中發揮著重要作用。它通過將濾波電抗器串聯在電力回路中，可以有效降低諧波產生的頻率。安裝濾波裝置后，不僅可以提高電能質量，減少電壓波動和電流畸變，從而改善供電環境，還能帶來顯著的經濟效益。實際應用中，根據需要和實際條件，可以選擇不同的治理策略。例如，可以在高壓母線上使用SVC、SVG等設備進行治理；在變壓器的下端，低壓母線上使用無援濾波器、有源濾波器等進行治理；或者在設備的電源入口處進行就地治理，將非線性負載轉變為線性負載。在配電網系統中應用高壓電抗濾波的目標主要是消除高壓線路中的超額諧波。但從結構組成上來看，高壓電抗濾波器在配電網中的應用會導致無功功率的降低。為了解決這個問題，需要在保持濾波設備容量符合配電網穩定運行基礎的上，先進行無功補償，然后再進行濾波，7次和11 次諧波會被輕微放大。這和電容器的特性有關系，因為電容器具有“通高頻、阻低頻”的特性。在設計時，我們必須全面考慮各種因素，而不僅僅是濾波效果。如果只關注濾波效果而忽略了其他因素，可能會導致設計變得相對簡單，并可能對整體性能產生不利影響。

5 結語

隨著經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高，用電量也越來越大，同時也對電能質量要求越來越高。配電網絡是供配電系統中最重要的組成部分，同時也是電能質量問題最嚴重的區域。在配電網中存在著大量的非線性設備，這些設備會產生大量的諧波。諧波對于電力系統中的電氣設備和用電設備都會帶來嚴重危害，使電力系統受到嚴重污染，從而影響到電能質量。為解決諧波問題，需結合實際情況，采用有針對性的治理對策，以降低諧波對配電網造成的影響，提升配電網運行的穩定性。