現(xiàn)代電力系統(tǒng)諧波危害與檢測(cè)

華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 趙

現(xiàn)代電力系統(tǒng)諧波危害與檢測(cè)

隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一方面，電力電子裝置的應(yīng)用使生產(chǎn)、生活更加方便、智能化；另一方面，由于電力電子裝置的非線性，給電力系統(tǒng)注入了大量的諧波，會(huì)危及電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行和壽命。因此，限制注入系統(tǒng)的諧波，對(duì)于提高電能質(zhì)量具有重要意義。

一、電力系統(tǒng)諧波的概念

電力系統(tǒng)的理想電壓波形是頻率為50 Hz的正弦波，但是由于電力系統(tǒng)大量非線性負(fù)荷的存在，使得電壓波形產(chǎn)生畸變，對(duì)產(chǎn)生畸變的非正弦電壓波形進(jìn)行傅里葉分解，除了得到基頻分量，還會(huì)得到一系列基頻倍數(shù)次的波形，這些波被稱(chēng)為諧波。國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波即為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值稱(chēng)為諧波次數(shù)。諧波實(shí)際上是一種干擾量，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。諧波一般分偶次諧波和奇次諧波，電力系統(tǒng)中由于三相系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，而奇次諧波的危害要高于偶次諧波。

二、電力系統(tǒng)諧波的危害

20世紀(jì)60年代以后，電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷加深，諧波的危害也引起了人們的重視。諧波對(duì)系統(tǒng)的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.系統(tǒng)損耗增大。諧波電流使發(fā)電、輸電和配電過(guò)程產(chǎn)生附加損耗，使得電力系統(tǒng)的一些重要設(shè)備溫度升高，運(yùn)行效率降低。在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，若大量未經(jīng)濾除的三次諧波流過(guò)中性點(diǎn)，就可能導(dǎo)致線路過(guò)熱，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。

2.影響電氣設(shè)備正常工作。諧波會(huì)使輸電線路損耗增加，導(dǎo)致線路溫度過(guò)熱，絕緣老化，縮短了線路的運(yùn)行壽命；諧波會(huì)增加變壓器的磁滯損耗、渦流損耗，使變壓器的局部發(fā)生過(guò)熱；對(duì)于電機(jī)，諧波不僅會(huì)產(chǎn)生附加的損耗，還會(huì)在電機(jī)上產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓；對(duì)電力電容器，在高頻諧波電壓下，流過(guò)電容器的電流會(huì)很大，使電容器產(chǎn)生一定的損耗。

3.引起諧振。電力電容器在電力系統(tǒng)中具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔茫邏狠旊娋€路存在較大分布電容。由于線路和變壓器電抗的存在，在一定的諧波頻率下，就有可能引發(fā)串聯(lián)或并聯(lián)諧振，諧振會(huì)在元件內(nèi)部產(chǎn)生很大的過(guò)電壓或過(guò)電流，進(jìn)而危及設(shè)備安全，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度受到電能質(zhì)量的影響，在標(biāo)準(zhǔn)的工頻電壓下，測(cè)量裝置準(zhǔn)確度較高，但在系統(tǒng)混入諧波后，測(cè)量裝置精確度會(huì)大大下降。測(cè)量裝置不準(zhǔn)確時(shí)，繼電保護(hù)裝置測(cè)量元件會(huì)因諧波影響而誤啟動(dòng)或者拒動(dòng)，造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成停電事故。

5.干擾通信。諧波對(duì)通信系統(tǒng)的危害主要在于諧波產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)無(wú)線電的傳播產(chǎn)生干擾，使通信信道內(nèi)傳播的信號(hào)產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致通信信號(hào)丟失或者畸變。

三、電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)措施

1.采用模擬帶通或帶阻濾波器測(cè)量諧波。這是最早的一種諧波檢測(cè)方法，本文，筆者以模擬并行濾波式濾波測(cè)量裝置為例，對(duì)濾波器濾波方法進(jìn)行闡述。其原理如圖1所示。

先將信號(hào)輸入放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再依次送入濾波器1、濾波器2、…、濾波器n進(jìn)行濾波，其中濾波器的中心頻率為工頻的整數(shù)倍，按1 ～ n依次增大，最后送入多路顯示器顯示。由于這種濾波方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在早期的諧波檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于受外界影響較大，檢測(cè)精度不高，現(xiàn)在已很少使用。

2.基于傅立葉變換的諧波測(cè)量。該方法檢測(cè)精度高、功能多，但計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。另外，在采樣過(guò)程中，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使測(cè)量的信號(hào)參數(shù)不準(zhǔn)確，相位測(cè)量誤差會(huì)很大，通常無(wú)法滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。為減少泄漏誤差，常常采用加窗算法、插值算法、雙峰譜線修正算法來(lái)降低誤差。

3.基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波測(cè)量。Ip – Iq法適用于電網(wǎng)電壓畸變和電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)的情況，而p – q 法則會(huì)產(chǎn)生較大誤差，不適用于電網(wǎng)電壓畸變。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、測(cè)量電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不夠經(jīng)濟(jì)。

4.基于小波變換的諧波檢測(cè)方法。小波變換相對(duì)于傅里葉變換在頻域和時(shí)域都能完全局部化，對(duì)波動(dòng)諧波、快速變化諧波的檢測(cè)有很大優(yōu)越性，但在穩(wěn)態(tài)測(cè)量方面不具備優(yōu)勢(shì)。綜合來(lái)說(shuō)，小波變換結(jié)合傅里葉變換而達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是一種行之有效的方法。

5.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的數(shù)學(xué)算法模型。這種諧波測(cè)量方法需要構(gòu)建恰當(dāng)網(wǎng)絡(luò)，選擇合適算法。該方法目前也處于初級(jí)研究階段，對(duì)于樣本的依賴(lài)性過(guò)高，因此距實(shí)際工程應(yīng)用還很遠(yuǎn)，但由于其所表現(xiàn)出的檢測(cè)實(shí)時(shí)性高、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。