電力系統諧波問題概述

伍廣正

（貴港供電局，廣西 貴港 537100）

1 引言

電能是輸送和使用方便的優質二次能源。隨著社會的發展，電能的使用已經滲透到人們生產及生活的各個方面，電能已經成為現代社會生產和生活中不可缺少的重要部分，成為影響國家經濟命脈的重要因素。傳統公用電網中，是以恒定的頻率（或）和三相電壓及電流的對稱、正弦為發電與用電的品質指標的。然而，由于電網中許多電氣元件的參數并不都是理想線性的，而且負荷是隨機變化的，加之各種調控手段的不完善以及外來干擾等各種因素的影響，使得上述理想的電網運行狀態在實際運行中是不存在的。當實際的電壓、電流波形與標準的正弦波存在偏差時，我們把這種波形畸變的現象稱為諧波畸變。

2 電力系統的諧波

對電力系統諧波問題的研究可以追溯到19世紀末。當時，電能的使用剛剛以交流電的形式出現，工程師們就注意到了電壓、電流波形的畸變問題；直到20世紀30年代，由于使用汞弧變流器造成的電壓、電流波形畸變問題，電力系統諧波才真正開始引起人們的重視［1，2］。

當代電力系統中，隨著電力電子技術的發展，電力用電技術和發電、輸電技術都發生了深刻的變化。這些新技術以電力電子技術為支撐，通過靈活可控的電力電子裝置實現對電能形式的靈活控制和變換。所有這些電能生產、輸送和消耗的新方式，其最大的特點是其產生的電壓、電流呈現為非額定頻率或非正弦波形的電壓、電流，從而使電力系統諧波問題更加嚴重。

（1）用電技術方面。在現代電力系統中，隨著人們節能意識的加強以及電力電子技術的發展，眾多通過電力電子開關、以非正弦電流方式高效用電的新型非線性負載得到了廣泛的應用。這些以非正弦電流方式用電的新型非線性負載已經成為當今電力負載中最主要的諧波源。1992年，日本電氣學會對其國內產生諧波的行業按比例進行了一個統計，其結果如表1所示。

表中，除樓宇中的部分照明電源、冶金行業的電弧爐外，其他行業的諧波源大多來自電力電子裝置，根據日本電氣學會的統計，其比例高達90%。從表中還可以看出，來自樓宇的諧波源所占比例高達40.6%，其諧波主要由辦公及家用電器等產生。可見，諧波畸變不再是工業設備所特有的現象，如今諧波現象已經蔓延到電力升降機、不間斷電源、電視機、個人計算機等商業和居民用電設施中的電子設備。

表1 產生諧波的行業分布［2］

（2）發電技術方面。由于當今社會對常規化石能源的需求日益增加，能源耗盡的危機日益嚴重，人們開始追求對清潔、無污染的新能源的開發利用。在電力生產中，許多利用清潔無污染的可再生能源發電的發電方式，如風能發電、太陽能發電、燃料電池發電等發電方式得到了越來越廣泛的應用［3］。這些新型電源大多以非正弦、非工頻的方式供電，而傳統公用電網是以三相電壓、電流的對稱正弦要求為發電與用電的品質指標。傳統公用電網為了接納非正弦、非工頻的新型電源，一般通過電力電子電能轉換裝置將非正弦、非工頻的電源轉換為正弦、工頻的交流電源，從而實現不同頻率的電源或電網的同步運行。比如在輸送風電的過程中，一般采用變頻裝置將風電接入電網，在此過程中，變頻裝置將會向電網注入一定數量的諧波，使得電網諧波來源更加復雜。

（3）輸電技術方面。為了提高電壓質量和系統的穩定性以及解決大容量遠距離輸電等問題，柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術得到極大的發展和應用。柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術以電力電子技術為支撐，通過電力電子裝置實現對電網運行方式的靈活控制、調節，以實現對電能的安全、高效、經濟輸送［4］。這些電力電子裝置主要包括:用于提供無功功率補償以改進電網電壓控制和系統穩定性的靜態無功補償器（SVC）；用于提高輸電線路輸電容量和改善線路運行情況的可控串聯補償裝置（TCSC）；用于電網潮流控制的統一潮流控制器（UPFC）以及用于高壓直流輸電技術的高壓直流換流器等。上述電力電子裝置大多數具有一個共同特性，就是產生諧波。因此，在使用這些裝置對輸電技術進行改造時，對其產生的諧波不得不進行一個詳細的評估。

3 諧波的危害

諧波注入電力系統將會嚴重惡化電網的電氣運行環境，危害電力系統的安全、穩定運行，同時，還會對電網電氣設備以及用戶用電設備的安全造成危害。

首先，對整個電網來說，諧波的產生與輸送，將在輸電網中增大網損，降低電能傳輸的效率；諧波電流在線路中引起畸變壓降，降低了電網的電壓質量；新型非線性負載的間斷性用電方式降低了電源電壓的工作效能；諧波電流惡化交流電能傳輸中的電氣環境，易引發系統崩潰［2，5］。

其次，對電網中的電氣設備而言，因為電網中的電氣設備是按工頻、正弦電流工作方式設計的，諧波電流流過將會影響其最佳工作狀態。例如:諧波電流會對電機、變壓器等電磁設備的繞組及鐵芯引起額外發熱，使損耗增加，降低電磁設備的使用壽命；諧波電流會影響功率處理器、互感器的測量精度，引起電力測量的誤差；諧波電流有可能造成繼電保護裝置、自動控制裝置的工作紊亂；諧波電流的存在還可能會降低斷路器、熔斷器等設備的開斷能力［2，5］。

對電力用戶而言，諧波會影響電視機的畫面質量；影響電子顯微鏡的清晰度；引起日光燈的整流器及補償用電容器過熱或損壞；引起其他用戶的功率開關器件誤動作或故障；對計算機、通信系統產生干擾等［5］。

此外，隨著工業控制技術的發展，工業生產中許多精密儀器、復雜的控制系統等對電能質量的要求也越來越高。諧波電流對其造成的影響，有可能會使工業生產造成巨大的經濟損失［5］。

4 電力系統的諧波抑制技術

如前文所述，電力系統諧波造成低劣的供電電能質量，嚴重危害電力系統的安全穩定運行和電網電氣設備、用戶用電設備的安全。在現有的技術水平下，為避免諧波的危害，保障電網及用戶的利益，對電力系統的諧波抑制，已經成為電氣工程學科的一個熱門研究領域。目前對電力系統諧波抑制的方法主要可以分為預防性電力諧波抑制技術和補救性電力諧波抑制技術兩種方法。

4.1 預防性電力諧波抑制技術

預防性電力諧波抑制技術是指在設計構建系統或設備的過程中，通過選取合理的線路結構及元件參數，避免產生諧波或減少諧波。常見的預防性電力諧波抑制技術有如下幾種:

（1）利用設備的電氣特性。該方法主要是對電氣設備采用有效的接線方法或結構形式來減少或消除接入電力系統的設備所產生的諧波。比如對于變壓器來說，其繞組采用三角形的接線方式能隔斷3倍頻諧波電流的流通［5］。

（2）配電網重構。對多個諧波源同時接入電網的情況，可通過對配電網重構的方法，實現降低公共連接點總的諧波限值［5］。這種方法是通過對配電網中的負荷進行再分配，限制負荷中非線性負荷的比例，控制非線性負荷產生的諧波電流在一定的范圍內，使公用母線上的諧波電流限值不超過電力部門制定的標準。該方法只是達到降低諧波限值的目的，并沒有達到諧波隔離的效果，諧波電流仍會注入電網中，有可能對電網及其他用戶造成損害。顯然，這并不是一種合理的諧波抑制的方法。

（3）多脈波整流技術和高功率因數PWM整流技術。多脈波整流技術是將兩個或更多個相同結構的整流電路按一定的規律組合，將整流電路進行移相多重聯結，利用各整流負載的諧波電流相位差，使其相互疊加后可削弱或抵消電源輸入端的部分諧波電流［6，7］。例如12脈波整流技術可以有效削弱5次和7次諧波，24脈波整流技術可以有效消除11次和13次諧波。隨著技術的發展，多脈波整流技術的脈波數可以達到一個很高的值，但同時也使系統結構更為復雜，需要對其可靠性、經濟性等因素進行全面衡量。

4.2 補救性電力諧波抑制技術

補救性電力諧波抑制技術是指為了解決已經存在的諧波問題而采取的技術手段，主要是在電網諧波源處加裝濾波裝置。常見的濾波裝置有如下幾種:

（1）無源濾波器。無源濾波器也稱為LC調諧濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的無源濾波裝置。無源濾波器的基本工作原理為:由電感，電容和電阻組成的無源電路網絡，通過將電容和電感調諧到對某一次諧波電流頻率發生諧振，對該次諧波電流形成低阻抗支路以分流該諧波電流，從而達到在電網中濾除諧波電流的目的［6，7］。無源濾波器結構簡單、易于實現、設備投資較少、運行費用較低，是迄今為止應用范圍最廣的一種濾波手段。然而，由于無源濾波器只工作于特定頻率，所以實際應用中通常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器相互配合組成濾波裝置，以達到濾除主要的各次諧波分量的目的，但是這樣容易造成各組調諧濾波器之間的相互影響，使調諧變得困難；而且無源濾波器受其電容電氣特性的影響，容易和系統阻抗發生諧振，損害電容器件，嚴重時，甚至會使系統崩潰。

（2）有源濾波器。如圖1所示，有源濾波器是通過檢測補償對象的諧波電流，然后通過控制電路注入一個與諧波電流相位相反的補償電流，抵消諧波電流的影響，實現電源電流波形的正弦化［6，7］。隨著材料科學的發展以及大功率電力電子器件的開發應用，有源濾波器在耐壓以及容量等問題上還有很大的發展空間。

圖1 有源濾波器的基本結構

（3）混合型有源濾波器。混合型有源濾波器是由有源濾波器和無源濾波器相結合組成的混合型濾波裝置。裝置的有源濾波器可以快速地補償諧波，而無源濾波器可以同時進行諧波過濾和無功補償，提高了濾波補償的效率［7］。當前混合型有源濾波器主要有串聯式混合型有源濾波器和并聯式混合型有源濾波器，其中并聯式混合型有源濾波器的應用空間更廣，已在多個直流輸電工程中得到應用。

5 結語

在當代電網中，隨著電力電子技術的發展，電力升降機、個人計算機、電視機等其他商業和居民用電設施中的電子設備日漸成為電力負載中主要的諧波源。在電源端，連接新型非正弦電源和傳統公用電網的電力電子電能轉換裝置產生的諧波注入電網，使得電網諧波來源更加復雜。在輸電網方面，高壓直流變流器和柔性交流輸電裝置不斷增加，這些設備已成為輸電系統中主要的諧波源。

在現代電力系統中，諧波污染已經成為惡化電能質量的重要原因之一。因此，如何制定新的電能質量標準，主動發展電能傳輸中諧波抑制效果好、結構簡單、運行經濟性高的電力諧波過濾技術，接納非正弦電流的新型電源，容許新型非線性負載隨意、靈巧的高效用電方式，是電力系統輸電技術發展的必然和挑戰。

［1］林海雪.現代電能質量的基本問題［J］.電網技術，2001，25（10）:5－12.

［2］趙琰，孫秋野（譯）.電力系統諧波［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［3］王崢，馬則良，朱忠烈.電力行業能源發展研究的探討［J］.華東電力，2010，38（5）:589 －592.

［4］謝小容，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［5］林海雪，范明天，薛蕙（譯）.電力系統諧波［M］.2版.北京:中國電力出版社，2008.

［6］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京:械工業出版社，2002.

［7］電網諧波治理和無功補償技術及裝備［M］.北京:中國電力出版社，2006.