電力系統諧波分析與抑制措施

王春麗

（上海蒙福隴化學工程有限公司，河南 洛陽 471000 ）

電力系統諧波分析與抑制措施

王春麗

（上海蒙福隴化學工程有限公司，河南 洛陽 471000 ）

隨著科技的發展，非線性負荷得到廣泛應用，電力系統中的諧波含量大幅增加，危及了電網的安全運行，同時電氣設備的突發性故障大幅增加，給企業、用戶造成難以估量的損失，因此對電力系統諧波的分析與解決方案的提出變得尤為重要。

非線性負荷；電力系統；諧波抑制

1 引言

隨著現代科技的迅猛發展，電能質量問題已經成為目前電網必須面對的一個關鍵問題。 一方面不斷增多的諧波污染源在電網中存在，并且傳遞疊加甚至放大影響，同時其范圍不僅僅局限于某些地區；另一方面，低壓用電客戶使用的某些新式電器對諧波含量極其敏感，從而導致由供電諧波引發的居民用電異常事件。

2 電力系統中諧波的來源

電力系統中的諧波主要源自兩個方面。首先是自身攜帶的諧波，其次是電網用戶非線性設備注入的諧波。

2.1 自身攜帶的諧波包括

1）發供電系統中，由于受到鐵心齒槽和工藝的影響，導致交流發電機內部的定子和轉子間的氣隙呈不均勻分布。雖然每相電勢的波形對稱，但是有一定數量的奇次諧波必然有存在于三相電勢中。

2）輸配電系統中，奇次諧波成分存在于變壓器的勵磁電流中。因此電網主要的穩定性諧波源是在變壓器過勵磁或空載時產生的諧波。

3）電網的突發性諧波源是當電網中投切電容器或空載變壓器時，其產生的合閘涌流注入電網而形成的。

供電系統隨著現代工業的發展，產生了大量的非線性負載。在這些非線性用電設備中，從大容量高電壓的工業交直流變換裝置到小容量低電壓的家用電器，都已經是產生諧波的重要原因。

3 諧波的危害

當諧波注入電力系統時，將會造成電網的電氣運行環境嚴重惡化，并且危害電力系統的安全穩定運行，同時，還會威脅到電網電氣設備和用戶用電設備的安全。

首先，諧波的產生與輸送對整個電網來說，將會在電網中增大網損，降低傳輸電能的效率；諧波電流在線路中導致畸變壓降，降低了電網的電壓質量；電源電壓的工作效能由于新型非線性負載的間斷性用電方式而降低；交流電能傳輸中的電氣環境由于諧波電流而惡化，易引發系統崩潰。

其次，由于電氣設備是按照工頻正弦電流工作方式設計的，對電網中的電氣設備而言，其最佳工作狀態往往會被諧波電流所影響。例如：諧波電流有可能導致繼電保護裝置的工作紊亂；諧波電流會對電磁設備的繞組及鐵芯增加損耗，引起額外發熱，降低電磁設備的使用壽命；諧波電流可能會降低斷路器和熔斷器等設備的開斷能力；諧波電流還會引起電力測量的誤差，影響了功率處理器互感器的測量精度。

對電力用戶而言，諧波會導致日光燈的整流器及補償用電容器過熱；諧波會損壞影響顯示器的畫面質量，影響清晰度；諧波會引起其他用戶的功率開關器件故障或誤動作；同時，諧波會對計算機通信系統等產生干擾。

此外，工業生產中的許多精密儀器，隨著工控技術的發展，其復雜的控制系統對電能質量的要求也不斷提高，諧波電流有可能會使工業生產過程產生巨大的經濟損失。

4 抑制諧波的措施

4.1 在諧波源處采取措施吸收諧波

基于此，在正式的自貿港方案呼之欲出之際，本文結合全球自貿港演變規律和發展趨勢，以及我國自由貿易區制度改革進展，對我國自由貿易港政策實施路徑和要點進行了展望。在此基礎上，結合我國主要商業銀行自由貿易區業務開展現狀，提出了我國商業銀行服務自由貿易港區的業務策略建議。

對已有的諧波進行有效的抑制是這類方法的主要目標。截至目前為止，這是電網中被使用最為廣泛的抑制諧波方式。無源濾波裝置和有源濾波裝置是使用最為常見的濾波裝置，下面就這幾種諧波抑制方式的特點以及應用前景進行分析。

4.1.1 無源諧波濾除裝置

將電容器與電抗器串聯起來，組成LC串聯回路，然后并聯于電網中，即可構成無源濾波裝置。目前，市場上采取較多的就是這種濾波方法，雖然濾波效果較差，但是成本較低，用戶易于接受。將LC串聯回路的諧振頻率設定得與需要濾除的諧波頻率一致，以實現濾除特定次諧波的目的。但是如果諧振頻率設定得不好，則會與電力系統產生諧振。

4.1.2 有源諧波濾除裝置

基于無源濾波裝置的發展形成了有源諧波濾除裝置，主要由電力電子元器件組成其電路，可以產生一種與電力系統的諧波頻率、幅值均相同但是同時相位相反的諧波電流，可與電網中的諧波電流相抵消。在其額定的無功功率范圍內，有源諧波濾除裝置的濾波是100%的，但由于其制作較之無源濾波裝置復雜得多，且受到電力電子元件額定電流，耐壓的限制，成本也就相應高得多了。其主要應用在計算機控制系統的供電系統中，特別是樓宇的供電系統，以及工業上的供電系統。

4.1.3 加裝靜止無功補償裝置

電弧爐、電力機車等能夠產生快速變化的諧波源，在產生諧波的同時，還會導致電網電壓的閃變和波動，造成電力系統的電壓三相不平衡，使電網的電能質量嚴重惡化。將靜止無功補償裝置并聯裝設在諧波源處，既能有效減小諧波量的波動，又能抑制電壓波動、閃變、三相不平衡，并且還可對功率因數進行補償。

4.2 降低諧波源的諧波含量

由于諧波電流近似與諧波次數成反比，脈動數增加時諧波次數也同時增加，通過增加整流裝置的脈動數，一系列次數較低、幅值較大的諧波將會被消除，諧波電流隨之減少。

當變流器為自關斷器件設計或者采用高功率因數設計時，采用多重化技術，通過改變諧波源的配置或者工作方式，使得變流器產生的諧波頻率較高、幅值較低，同時波形接近于正弦波，可以使得功率因數控制為1，變流器產生的諧波非常少。

4.3 供電環境的改善

諧波源如果由容量較大的供電系統或者高電壓的電網供電時，系統承受諧波的能力將會增強。因此由專門的供電系統對產生諧波的負荷進行供電時，可以降低諧波對其它用電負荷的影響。通過合理地選擇供配電系統并盡量保持三相電壓平衡，可以將諧波對電網的影響有效地降低。

總之，抑制諧波的方案可分為補救性和預防性兩種，最終目的是要使系統的諧波含量在符合相關國家標準規范的基礎上，同時滿足用戶的要求。

5 結語

隨著各個行業非線性元件的大量應用，電力系統中出現越來越嚴重的諧波問題。諧波產生的原因是多方面的，將非線性負載產生的諧波準確測量并得到相應的治理是十分必要的。諧波抑制是一個長期的系統工程，設計出一種高效、經濟、可靠的濾波器來抑制諧波，達到既減少諧波侵入電網，又能保證各種電氣設備安全穩定運行的目的，使電網質量符合相應的國家標準。

［1］葛玉敏，李寶樹.多諧波源系統中利用諧波抑制諧波初探［J］.電氣技術.2008（9）.