低壓配電系統的諧波分析及其抑制方法

摘要：諧波嚴重危害電氣系統的安全性與穩定性，還會增加額外的電能損耗，縮短設備電氣壽命，對低壓配電系統的電能質量造成嚴重污染，影響功率因數，導致供電效率降低。機場對電能質量的要求很高，文章以機場助航燈光變電站中的低壓配電系統為例，通過對燈光站中諧波產生的原因進行詳細分析，給出了抑制諧波的方法。

關鍵詞：低壓配電系統；諧波；無源濾波器；有源濾波器

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0117-03

1 概述

隨著電力電子設備在低壓配電系統中的廣泛應用，低壓配電中的電能質量越來越受到關注與重視?？茖W的不斷進步，帶來大量先進的電子電氣產品，應用于機場中，其中大部分都為非線性負荷。而機場是一類負荷，對電力的持續性和穩定性要求極高。因此，合理的機場助航燈光變電站的低壓配電設計顯得尤為重要。要求相關設計人員在進行相關設計時，就應該考慮到諧波可能產生的根源，并采取相應抑制措施。首先，燈光變電站內的主要負荷就是可控硅調光器，它是非線性負荷，是導致燈光變電站產生大量諧波的主要原因。燈光變電站低壓系統中產生的諧波，就會對助航燈光供電系統的電能質量造成嚴重污染，使得配電系統的電壓、電流均產生畸變，場區內的助航燈光燈具會發生頻閃，影響對飛行員的正確引導，也會嚴重縮短燈具的壽命。同時，由于存在大量的諧波分量損耗，使得系統功率因數下降，就會導致低壓系統的供電效率降低。當市電供電時，對燈光系統的運行安全影響較??；而當切換至燈光變電站內的柴油發電機組供電時，就有可能發生發電機組無法提供負荷所需的有功電能，導致電動機抖動，調光器無法進行高光級下的電流控制和調節，輸出電流就會出現失調而報警。嚴重情況下，甚至可能會出現設備跳閘的現象，存在極大的安全隱患。因此，機場燈光站的諧波治理問題尤為重要。文章通過對燈光站低壓配電系統諧波產生的原因進行詳細分析，給出了抑制諧波的方法，為以后的工程提供了有益參考。

2 諧波概述

在供電系統提供的電能質量比較理想的情況下，通過負荷的交流電波形應該是標準的正弦波。但是，由于大量的非線性負荷設備應用于電力系統中，實際的交流電波形往往會發生畸變，成為不規則波形。測得的交流電波形就是一種非正弦的周期波。利用電流的疊加原理，對一個非正弦的畸變電流波形作傅立葉變換，可分解為無窮多個正弦量相疊加的形式。其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，還會得到一系列頻率大于電力系統基波頻率的正弦分量，這些頻率較高分量稱為諧波。諧波的頻率為基波頻率的整數倍數，所以，諧波也常被稱為高次諧波。

3 諧波的產生及危害

在機場助航燈光變電站內，可控硅調光器是低壓配電系統中的最主要設備。它負責控制整個機場助航燈光的開/關和調節燈光亮度，控制其所帶的燈光回路電流保持在規定值。機場燈光變電站中多采用可控硅調光器，它是采用相位控制方法來實現調光的，使得調光器的輸出電流保持在規定值。當電網中的正弦波電壓施加于可控硅調光器時，就變成了非線性波形。調光器在調相變控恒流過程中產生了大量的諧波，從而對整個系統造成污染。另外，為提高系統的功率因數，在燈光站電壓電氣設計中往往會使用純容性的無功補償柜，這會將系統中的諧波放大。

燈光站中的調光器采用兩相電源輸入，在電氣設計中，往往三相負荷達不到完全平衡，從而產生非規則化的諧波頻譜，也容易產生大幅值的高次諧波，干擾調光器的控制系統。

燈光站低壓配電系統中諧波的存在，就會影響到整個系統的電壓、電流波形。畸變的波形使得功率因數下降，系統的供電效率降低。如果市電失電，全場的燈光負荷均轉由站內的柴油發電機供電，就有可能發生原本設計合理的發電機容量，小于整個系統在高光級別條件下所需要的視在功率的情況，從而影響調光器對高光級別的調節與控制，甚至有可能直接導致設備跳閘，對運行帶來極大的安全隱患。另外，現在機場中的助航燈光監控系統，通常也是利用燈光輸電電纜的載波進行通信的。如果燈光變電站中存在有諧波，就會很大程度上影響信號傳輸的準確性。

4 諧波的抑制方法

通常采用無源濾波器和有源濾波器進行諧波抑制。其中，無源濾波器是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯起來。利用電路諧振的特點，形成某次諧波的低阻抗通道，將大部分諧波電流分流。比如，電力系統對7次諧波發生諧振，濾波裝置就針對7次諧波形成低阻通路，從而達到濾波的目的。有源濾波器則是通過實時檢測負載電流波形，得到需要補償的諧波電流分量，并將其反向，通過控制IGBT的觸發，將方向電流注入供電系統，實現濾波諧波功能，達到濾波的目的。

無源濾波器結構簡單、造價低，在市場中的應用較早，目前國內的使用技術也已經很成熟。無源濾波器和濾波源是并聯的，其自身的運行或設備故障對濾波源一般是沒有影響的。但是，無源濾波器只能吸收濾波源中的大部分諧波，而不能完全消除諧波，反而會因為系統阻抗計算設計不準確，進一步放大諧振。另外，無源濾波器為單諧振濾波器，對每次諧波都要計算系統阻抗，進行單獨設計，計算系統的阻抗也比較繁瑣。機場的電氣系統逐年擴建，系統阻抗也會隨之變化，同時，電容的老化也會使原來設計的諧振點偏移，而達不到濾除目標諧波的目的。

有源濾波器是一種新型的濾波裝置，它能夠針對諧波源進行自調節地抑制諧波、補償無功。無源濾波器只能針對單次諧波進行固定補償，而有源電力濾波器則可以動態地根據檢測進行跟蹤補償，具有更好的可控性和快速響應性，能補償各次諧波。濾波的效率不受諧波源系統阻抗變化的影響，還不會發生與諧波源發生諧振的危險。但是，有源濾波器需要先檢測再相應抵消。如果檢測不準，會放大諧波源電流。目前，有源濾波器基本依靠進口，成本較高。

因此，在抑制燈光變電站諧波時，需多方面考慮。首先，若要根除燈光變電站的諧波污染，必須加快研制新一代的調光器，使其輸出為正弦波，消除可控硅調光器引起的非線性諧波源。其次，燈光站中的大量諧波是由調光器內可控硅工作時所產生，這些諧波又會被純電容補償柜投入而放大，因此，應該對補償柜進行改造，將補償柜更換為兼濾波和無功補償為一體的低壓補償濾波裝置。另外，進行低壓配電電氣設計時，盡量調整調光器所接相序，保持三相平衡，減少由此導致的三相主導諧波不同的情況。綜合各方面因素，在進行燈光變電站諧波治理時，若在主導諧波頻率明確且較單一的前提下，可選用合適的無源濾波產品。若燈光供電系統復雜，電能質量要求較高，且在規劃今后將不斷擴建的情況下，可選用合適的有源濾波產品。

5 結語

助航燈光變電站對電能質量的要求很高，而由于站內大量使用可控硅調光設備，導致其自身的諧波問題比較嚴重，必須予以解決。無源濾波器和有源濾波器在治理電力系統諧波中有其各自的優缺點。在實際工程應用中，應結合具體工程的規模及供電系統結構以及所帶的負荷特性，選擇合適的諧波治理手段。

參考文獻

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作者簡介：聶艷麗（1981-），女，安徽阜陽人，中國民航機場建設集團公司工程師。

（責任編輯：秦遜玉）