電力系統的諧波分析及其抑制措施

金海榮

摘 要： 本文論述了電力諧波的的定義、特征等概念，敘述了諧波的危害性及方法。

關鍵詞： 諧波；諧波的危害；諧波抑制

1. 引言

在能源、交通、化工等行業，隨著大量電力電子器件及微電子技術的廣泛應用，這類非線性用電設備的使用帶來大量諧波電流流入電網，造成電壓波形畸變，電能質量下降，給用電設備帶來嚴重損害。

2.諧波的產生原因

對于周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，稱為高次諧波。隨著電力電子器件及微電子技術的發展，非線性負載的比例不斷提高，導致電流和電壓波形會產生畸變。諧波的來源有很多，尤其是在用電設備的使用環節中產生的最多，此類諧波是由各種非線性特性的電氣設備負載產生的。這些設備如：氣體放電燈、交流弧焊機、電弧爐，電力變流設備（整流器、逆變器、變頻器），相控調速和調壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關設備等。這些設備大量的用于化工、冶金、礦山等企業以及各類家用電器中。由于這些非線性電氣設備的電流不隨著電壓同步變化，使得流過電網的電流是非正弦波形的，產生的諧波會使電網電壓質量嚴重下降，并且電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能，因此此類非線性電氣設備是供電系統中的主要諧波源。

3. 諧波的危害

大量的諧波進入電網，造成電網的電壓畸變，當諧波超過規定值時，會對用電設備和電網造成損害，使用電設備無法正常運轉，電網產生故障，危及電力輸送。因此我們必須高度重視諧波造成的損害。

諧波危害主要表現有以下幾個方面。

（1）對電力電容器的危害

諧波電壓畸變，會使電容器的老化加快，電容器的損耗系數增大。因為電容器的容抗與頻率成反比，故在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導致電容器因過流而損壞。

（2） 對變壓器的危害

在諧波電壓作用下，變壓器繞組銅耗增加，鐵耗相應增加。另外3次及其倍數次諧波對三角形接法的變壓器，會在其繞組內產生環流，使繞組過熱，可能會使繞組電流超過額定值；對星形連接的變壓器，當繞組裝有中性點接地的并聯電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

（3） 對旋轉電機的危害

諧波在電機的定子繞組、轉子回路以及定子和轉子鐵芯中會引起附加損耗。由于集膚效應和渦流的關系， 旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗會增加。諧波電流還會增大電機的噪音和產生脈動轉矩，還有可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。在所有用電設備中，電動機負荷約占整個負荷的80%左右。因此，諧波使工業電動機總的附加損耗增加的影響尤為顯著。

（4）對輸電線路的危害

諧波電流在輸電線路上產生諧波壓降。由于集膚效應，諧波電流引起輸電線路的附加損耗增加，使電網網損增大。使用電纜輸電，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強了介質的電場強度，會減少電纜的使用壽命。據不完全統計，諧波的影響可以使電纜的使用壽命平均下降約60%。

（5）對繼電保護和自動裝置危害

諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。諧波對電力系統中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，會引起發電機負序電流保護誤動，變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動，嚴重威脅電力系統的安全運行。

（6）對電力計量的危害。

計量儀表是在50Hz標準的正弦波設計校驗的，一旦供電有諧波時，會影響感應式電能表的正常工作。感應式電能表對設計參數以外的頻率的響應不靈敏，頻率越高，誤差越大，表現為負誤差。

（7）對其它用電設備的危害

諧波會使功率開關器件控制裝置誤動作，導致功率開關器件故障而損壞。損害熒光燈，使鎮流器或補償用電容器因過熱而損壞，因而電視機的圖形質量變差。也會干擾計算機，使計算機及數據處理系統出現錯誤。

4.常見的諧波抑制措施

（1） 無源功率濾波器

無源功率濾波器（Passive Power Filters簡稱PF），其濾波原理是使負載諧波電流在電網支路和濾波器支路分流，通常是利用LC電路進行濾波，用電容器為高次諧波提供低阻抗的分流電路。

無源功率濾波器具有結構簡單、運行可靠性高、運行費用低、電壓可以做的較高，容量可以做的較大等優點。其在吸收高次諧波的同時，可以補償無功功率，改善功率因數。 缺點是無源功率濾波器濾波性能受系統阻抗的影響較大，由大容量的電抗器和電容器組成，整機體積龐大等。電網頻率偏移，電容器件老化，或溫度特性變化等因素可以導致濾波器諧振頻率與待抑制諧波頻率偏移，影響抑制效果；如果因擴容等原因所產生的諧波超過濾波器設計時的參數，可能造成濾波器因為過載而損壞。

（2） 有源功率濾波器

有源電力濾波器（Active Power Filter簡稱APF），是一種能對電力系統中幅值和頻率都變化的諧波和無功分量進行實施動態補償的新型電子電路裝置，主電路一般由脈沖寬度調制逆變器構成。其基本原理是先從補償對象中檢測出諧波電流，再利用補償裝置向電網注入與該諧波源諧波分量（電流或電壓）大小相等而極性相反的補償分量（電流或電壓），使電源的總諧波為零，電網電流只含基波分量，從而達到實時補償諧波的目的。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。有源功率濾波器還具有相應速度快，很好的動態實時補償功能等優點，還具有可進行無功補償，抑制電壓閃變等多種功能。

有源功率濾波器的缺點有：損耗較大，當功率增加時，有源功率濾波器裝置損耗百分比有望下降；受電力電子器件功率容量的限制，其價格相對較高。

結束語

隨著更多的非線性大功率電子裝置的應用，電力系統中的諧波問題日益突出。諧波作為反映電能質量的一個重要標志，將會日益受到廣泛關注。我們必須進一步提高對于電力諧波危害性的重視程度，積極采用新產品新技術，抑制諧波，以確保電網安全經濟運行。■

參考文獻

[1]羅安 電網諧波治理和無功補償技術及裝備 中國電力出版社 2006.

[2]錢照明 葉忠明 董伯藩等 諧波抑制技術 電力系統自動化 1997 .（10）.

[3]中國國家標準GB/T14549-93 電能質量 公用電網諧波 北京：中國標準出版社 1994.

[4]牛榮健 張曉琴 電力系統中的諧波問題 重慶科技學院學報 2006. 7 （3）： 87一89.

[5]王兆安 楊君 劉進軍 諧波抑制和無功功率補償 北京：機械工業出版社 1998

[6]保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].中國電力出版社，2005： 15-46.