淺析電力系統(tǒng)中諧波的危害及抑制方法

莫冬青

（江門電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 江門529000）

1 諧波概述

諧波的危害已經(jīng)受到了世界范圍的重視，所以為了保證電力系統(tǒng)中用電設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性，不少國(guó)家都根據(jù)自身情況設(shè)定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，其中，IEEE519—1992和IEC555－2是影響力比較大的。

諧波就是在一個(gè)周期內(nèi)電氣量的正弦波分量，其頻率與基波的頻率呈整數(shù)倍的關(guān)系。根據(jù)傅里葉變換原理可知，由于諧波與基波頻率的這種整數(shù)倍關(guān)系，任何波形在進(jìn)行分解時(shí)都可以分為基波和諧波的正弦分量。在相關(guān)公式中，“2n”是偶次諧波的意思，其中n必須為自然數(shù)。相比較而言，奇次諧波比偶次諧波危害更加大。這是由于當(dāng)三相系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，偶次諧波由于對(duì)稱關(guān)系可以基本被消除，而奇次諧波依然存在。

2 諧波的危害

2.1 對(duì)一次設(shè)備的危害

一次設(shè)備主要包括變壓器、電力電容器以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械等。

諧波頻率增加，變壓器中的銅損和鐵損就會(huì)相應(yīng)增加，從而使得變壓器的局部過(guò)熱，影響變壓器的壽命。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要嚴(yán)格防止變壓器的電容器和繞組發(fā)生串聯(lián)諧振，這是由于諧波過(guò)電壓的產(chǎn)生會(huì)加速變壓器的絕緣老化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)擊穿事故。

諧波次數(shù)的增加會(huì)使電容器的介質(zhì)損耗增加，從而造成溫度升高，影響電力系統(tǒng)的整體壽命，所以系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波含量越多，其造成的損耗就越多。由于結(jié)構(gòu)原因，電容器熱量散失速度慢，熱量累積有可能會(huì)導(dǎo)致熱擊穿。

諧波不僅會(huì)在電機(jī)的定子繞組中造成一定的有功損耗，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生無(wú)功附加損耗，這樣會(huì)加劇電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子溫度的升高幅度。另外，諧波與基波產(chǎn)生的磁場(chǎng)均會(huì)作用在轉(zhuǎn)子上，引起汽輪發(fā)電機(jī)的周期性振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，這種振動(dòng)的累積就會(huì)使汽輪機(jī)的軸和葉片的使用壽命大大減少。

2.2 對(duì)二次設(shè)備的危害

二次設(shè)備主要包括繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測(cè)量設(shè)備、用電設(shè)備和通信系統(tǒng)。

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流諧波分量較多，迫使二次電流波形畸變，從而造成電流幅值超過(guò)自動(dòng)保護(hù)裝置的設(shè)定值而發(fā)生誤動(dòng)作。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，諧波對(duì)距離保護(hù)影響很大，這是由于阻抗繼電器的設(shè)定值是按系統(tǒng)的基波阻抗進(jìn)行整定的。高次諧波會(huì)加劇測(cè)量誤差，從而造成拒動(dòng)或誤動(dòng)。

在正常情況下，對(duì)于功率定義都是以平均值為基準(zhǔn)，一旦電路中出現(xiàn)諧波，功率的概念就不適用了。但是對(duì)于諧波電路的功率現(xiàn)象還沒(méi)有完善的理論可以解釋，現(xiàn)在普遍存在同一廠家制造的同一種儀表對(duì)同一電氣量的測(cè)量結(jié)果會(huì)有15%以上的誤差，所以對(duì)于諧波功率的計(jì)量方式和分類定義要更加合理，以使相關(guān)收費(fèi)問(wèn)題得到解決。

諧波同樣也會(huì)對(duì)用戶負(fù)載產(chǎn)生干擾，尤其是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，磁性元件是較為敏感的元件，諧波會(huì)使計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能有所降低，對(duì)電視機(jī)的影響主要在于尺寸和亮度的變化，對(duì)白熾燈則是影響其使用壽命。

諧波主要是通過(guò)感性耦合干擾通信線路，從而會(huì)使通信系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲，通信清晰度大大降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成信號(hào)丟失。

3 抑制方法

在如今工業(yè)以及信息產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)電能有了更高的要求。為了使電能的質(zhì)量有所提高，使用電設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性增加，我們必須致力于對(duì)諧波抑制方法的研究。就目前的技術(shù)來(lái)看，減少電網(wǎng)諧波主要應(yīng)從以下3個(gè)方面考慮：一是從源頭上減少諧波的產(chǎn)生；二是在諧波作用過(guò)程中減少其影響，例如安裝源頭過(guò)濾裝置；三是在諧波流入負(fù)載端時(shí)減少其影響，主要是在負(fù)載端安裝過(guò)濾裝置。過(guò)濾裝置主要包括無(wú)源濾波器（PPF）、有源濾波器（APF）以及混合濾波器（HAPF）。

3.1 基于無(wú)源濾波的電力系統(tǒng)諧波抑制

PPF是一種常見(jiàn)的處理諧波的設(shè)備，由各種電氣元件適當(dāng)組合而成的濾波設(shè)備在與基波源串聯(lián)的情況下，將需要消除的諧波次數(shù)與濾波器振動(dòng)次數(shù)設(shè)為一樣的，該次諧波大部分便會(huì)注入到濾波設(shè)備中，使得整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)得到改善。PPF（圖1）主要是利用LC電路進(jìn)行濾波，該技術(shù)由于應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)是比較成熟的。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：電壓高、容量大；改善功率因數(shù)；節(jié)約成本，維修方便；技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠等。其缺點(diǎn)主要是：該設(shè)備不僅會(huì)濾去諧波還會(huì)濾去一部分基波，這就使得其容量被占用；設(shè)備一旦出現(xiàn)過(guò)載，就會(huì)被燒毀。

圖1 PPF原理圖

3.2 基于有源濾波的電力系統(tǒng)諧波抑制

APF是一種用于實(shí)時(shí)抑制諧波的主動(dòng)型補(bǔ)償裝置，它對(duì)諧波的補(bǔ)償非常靈敏。現(xiàn)今APF已經(jīng)成為一項(xiàng)非常熱門的技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家中的應(yīng)用非常廣泛，并且技術(shù)日臻成熟。其對(duì)高次諧波的補(bǔ)償能力也逐步提高，為改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量作出了非常重要的貢獻(xiàn)。

其原理是用一個(gè)逆變器產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波電流反相的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，以抵消電力電子裝置產(chǎn)生的諧波電流干擾，其對(duì)于諧波的抑制可以在一臺(tái)機(jī)器中完成。APF主要由諧波電流檢測(cè)電路、電流跟蹤控制電路和補(bǔ)償主電路（變流器）等組成，如圖2所示。

圖2 APF原理圖

3.3 基于混合濾波的電力系統(tǒng)諧波抑制

HAPF就是將PPF和APF串聯(lián)，再并聯(lián)于電網(wǎng)，以消除諧波的一種濾波器。無(wú)源功率濾波器承擔(dān)主要的補(bǔ)償任務(wù)，有源功率濾波器則用來(lái)改善無(wú)源功率濾波器的特性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著人們生活需求的日益增多，非線性電子裝置被大量應(yīng)用，這就使得諧波的危害進(jìn)一步加大，所以致力于對(duì)消除諧波的研究是非常有意義的。對(duì)諧波的抑制是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，但必須做好該項(xiàng)工作，這樣才能保證電氣設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行以及電網(wǎng)的安全供電。

［1］羅安.電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006

［2］顧艷麗.基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)在DSP上的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京工業(yè)大學(xué)，2006

［3］榮海舟，佘梅香.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（3）