淺析諧波對電能質量的危害及其治理措施

吳培錦

（廣東電網有限責任公司肇慶高要供電局，廣東 肇慶526100）

0 引言

電能作為重要的能源形式，在生活、生產、科技等各個方面都得到廣泛應用，技術的進步使得對電能質量的要求更加嚴格。而電力電子技術的發展使得換流裝置以及各種非線性負載在電力系統中被廣泛應用，電力系統中電網諧波含量迅速增加，直接導致電能質量下降，造成供電企業以及生產單位安全遭受威脅、經濟效益降低。因此，整治諧波污染、提高電能質量成為供電企業亟需解決的難題。

1 基本概念及諧波的危害

1.1 電能質量

電能作為一種便于傳輸、控制的清潔能源，是供電企業向電力用戶提供的一種商品。它與其他商品同樣被要求具有較高質量，其特點是需要供電和用電雙方共同維護電能的質量。一般來說，對電能質量的要求主要有電壓、頻率、電壓對稱性以及電壓波形畸變4項指標。

1.2 諧波的來源

諧波的基本概念是基波頻率整數倍的正弦波分量。電網中諧波的來源主要有3個，一是在發電過程中發電機產生的諧波，二是在電能輸送過程中產生的諧波，三是用電設備在運行過程中產生的諧波。電能在輸配送過程中產生的諧波較少，對電能質量影響不大，實際上用電設備是最大的諧波源。特別是現在越來越多的電子設備、交流電焊機、電弧爐、日光燈等非線性負載的使用，使得高次諧波被接入電網中，進而易導致電網電壓波形產生畸變、電壓波形不對稱，真正威脅到了電網的安全運行。

1.3 諧波的危害

諧波對于電力系統中很多設備都會造成很大的危害，如電網中的計量裝置、變壓器、斷路器、補償裝置、繼電保護裝置以及各種用電設備等。它主要的危害包括由于發熱引起的不良影響、瞬間引起的不良影響以及諧波導致諧振引起的不良影響。

諧波會造成部分設備長期過熱，在長時間不斷累積作用下，可能會導致電動機、輸電線路、電度表過熱而絕緣老化、壽命縮短、誤差加大，并且使得諧波造成的附加損耗成為電網損耗的主要部分。發電機、電動機、變壓器的振動將變得劇烈、噪聲加大，異步電動機轉速會受到嚴重影響，甚至遭到損壞。

對于電網中的電容器，諧波會增加介質損耗，損耗的大小與諧波次數成正比，高次諧波含量越大，諧波造成的損耗也就越大，電容器會因此而溫度過高。溫度的升高又會使電容器的介質損耗增加，如此惡性循環，就容易導致電容器熱擊穿。在電容器內部，諧波造成的暫態過電壓會加劇介質的局部放電，放電持續增強，也是電容器更容易損壞的原因。

對于繼電保護裝置、電容器組以及絕緣電纜來說，諧波過大可能會在瞬間時使絕緣介質損壞。若諧波為高次諧波，由于電力系統的網絡拓撲結構非常復雜，容易造成局部的并聯諧振和串聯諧振，使得各元器件不能實現預定功能。諧波電流幅值幾倍于正常電流，會對元件的安全造成威脅。同時，諧波會對通訊設備造成較大的干擾，可能導致傳輸的重要信息丟失，擴大故障范圍。

2 諧波的治理

2.1 諧波治理的預防性措施

在電力系統中，首先要減少注入電網的諧波，將電能質量控制在合格范圍內。諧波治理的預防性措施就是盡量降低諧波源產生的諧波，針對非線性負載，使其工作方式有所改變，使諧波的注入減少。

第一，在發電機、變壓器以及電容器等供電設備的設計和制造過程中，采取一定的措施減少諧波。比如，通過對變壓器繞組的巧妙連接，可以消除3次及其整數倍的諧波。

第二，通過增加整流器的脈動數或者采用可控硅來對諧波源進行限制。諧波含量與脈動次數有關，當脈動數增加時，整流器注入電網特征諧波的起始最低次數n也就變大，即諧波含量與諧波次數成反比，次數較低、幅度較高的諧波消除后，電能質量能有效提高。

第三，使用全控型元器件，利用PWM技術使得整流器在變流過程中諧波減少。

采用這種從源頭進行的預防性措施，能夠有效消除諧波，此種方法主要適用于電力電子裝置，其主要缺點是經濟性不好。

2.2 諧波治理的補償性措施

由于采用預防性措施主動治理諧波成本較高，在實際應用中不常使用，在工業中主要采用補償性的被動式治理措施，主要手段是安裝濾波器減少諧波。在諧波源處就近配置濾波裝置能夠有效抑制諧波超標。濾波裝置一般可以分為無源濾波裝置、有源濾波裝置以及混合型濾波裝置，在實際應用中需根據現場情況進行選擇。

現階段，電網中廣泛采用靜止型無功補償器（SVC，Static Var Compensation）。

無源濾波器由電抗器和電容器組成，通過一定的參數配置以及拓撲結構的連接，可以有效濾除部分次數的諧波。從理論上來看，濾波器調諧到某頻率時，該濾波器的阻抗為0，所以將該次諧波全部吸收。無源濾波器結構較為簡單，成本也較低，對于部分次數的諧波吸收效果良好。不過無源濾波器對于偏離調諧點的諧波吸收效果不佳，并且在諧波電流過大時無源濾波器可能過載導致設備損害。同時如果電力系統阻抗和頻率變化，可能導致產生諧振。

因此，隨著智能控制技術的進步，濾波器也在進一步發展，如今常采用有源電力濾波器來治理諧波。由于功率元器件的控制精度達到了一定程度，在無源濾波器不能滿足電能質量要求時，可以采用有源濾波器來抑制諧波。有源濾波器的工作原理是通過電流互感器和電壓互感器對電能進行監控，得到非線性負載的電流、電壓數據，經過處理器處理后，生成對無功和諧波進行補償的指令，通過指令控制PWM變流器的通斷，輸出與系統中諧波波形相同、相位相反的補償電流，使得系統中的諧波分量消除，電能質量得到提高。

與無源濾波器被動抑制諧波有所區別，有源濾波器是采用主動輸出補償電流來對諧波進行抑制。有源濾波器具有以下幾個優點：

第一，使用靈活，能夠對各次諧波包括指定次數的諧波進行補償。

第二，其補償過程是動態的，因此補償速度快，對于幅值以及頻率都在變化的諧波也能夠補償，并且補償效果與電網的阻抗、頻率無關。

第三，這種補償原理不會過載，在電網諧波較大時，依然能夠工作在額定容量內。

綜上所述，有源濾波器補償性能非常優越，同時隨著技術的發展，其成本也會不斷下降，因此有源濾波器將被更加廣泛地應用。

3 結語

較高的電能質量對各個行業的發展具有重要作用，諧波作為影響電能質量的關鍵因素具有較大的研究意義。本文分析了諧波的來源以及危害，重點闡述了諧波治理的預防性措施以及補償性措施。其中，有源濾波器的使用對提高電力系統安全性具有重要作用，使用有源濾波器是解決系統諧波問題的重要手段。在工作現場，應針對不同用電環境，在配電室集中安裝濾波器或是在諧波源設備就地安裝濾波器，同時選取合適的容量，以期達到良好的諧波治理效果。

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