電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)與抑制方法分析

張青山

【摘 ?要】當(dāng)前電力系統(tǒng)中，諧波污染已經(jīng)成為一種非常嚴(yán)重的污染問題，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅，不僅擾亂樂部分設(shè)備正常工作，還可能造成通信電路混亂，降低通信電路工作質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng);諧波檢測(cè);抑制技術(shù)

引言

在電力系統(tǒng)的工作過程中，電力輸送的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)除了需要保證電壓和電流的穩(wěn)定性之外，同時(shí)還需要有效地考慮到波形所產(chǎn)生的影響。在我國電力系統(tǒng)波形的產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，通常情況下是以50Hz作為正弦波形。電力企業(yè)的發(fā)展速度不斷加快，使當(dāng)前國內(nèi)外針對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)電力設(shè)備的制造標(biāo)準(zhǔn)都有著一定的改變，對(duì)電力系統(tǒng)當(dāng)中所產(chǎn)生的波形有著明確的要求。從中可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)內(nèi)部所生成的電壓波形基本上都是一種正弦波形，但是隨著工業(yè)化和電氣化的發(fā)展速度不斷加快，在電力系統(tǒng)的供電過程中會(huì)產(chǎn)生一些非線性的復(fù)合波形。

1諧波的檢測(cè)技術(shù)

1.1帶阻濾波法

該檢測(cè)方法需要設(shè)置一個(gè)低阻濾波器，其功能是將正常工作基波截?cái)啵惯^濾出來的電流全部以諧波電流分離出來，從而達(dá)到檢測(cè)目的。這種檢測(cè)方法比較簡單，檢測(cè)結(jié)果一般也比較粗糙，準(zhǔn)確度不高。因此在實(shí)際檢測(cè)過程中一般較少運(yùn)用這種方法。

1.2帶通選頻法和FFT變換法

帶通選頻法需要較多數(shù)量的窄帶濾波器，經(jīng)過層層過濾，獲得較為精確的諧波電流，從而達(dá)到檢測(cè)目的。FFT變換法是指通過計(jì)算機(jī)對(duì)諧波進(jìn)行分析，對(duì)需要檢測(cè)的電流進(jìn)行取樣，并進(jìn)行相關(guān)處理，達(dá)到檢測(cè)目的。這兩種檢測(cè)方法雖然都能得出較為精確的檢測(cè)結(jié)果，但是各自都存在很大的局限性，帶通選頻法實(shí)施過程中受環(huán)境影響大;FFT變換法所需成本較大。因此，二者都不適宜一般諧波檢測(cè)。

1.3基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)法

瞬時(shí)無功功率理論在20世紀(jì)80年代由日本學(xué)者提出，該理論的提出很大程度上解決了諧波電流檢測(cè)工作中的某些阻礙。瞬時(shí)無功功率理論也稱為“p-q”理論，p指的是瞬時(shí)有功功率，q指的是瞬時(shí)無功功率。運(yùn)用該理論方法能夠得出p和q的相應(yīng)值，進(jìn)而得出被檢測(cè)電流中的基波分量，從而測(cè)算出電流中的諧波分量。但是這種檢測(cè)方法依舊存在一定問題，如該檢測(cè)方法只適用于三相電壓正弦對(duì)稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測(cè)。該理論提出十年后，又有學(xué)者提出“d-q”理論，該理論是對(duì)“p-q”理論的補(bǔ)充，擴(kuò)大了瞬時(shí)無功功率理論實(shí)際應(yīng)用范圍。

1.4小波變換檢測(cè)法

這種檢測(cè)方法需要對(duì)待檢測(cè)電流中的諧波進(jìn)行離散，通過處理數(shù)字信號(hào)得出待檢測(cè)電流中諧波的準(zhǔn)確信息。這種檢測(cè)方法利用了諧波自身自帶的一些特征，如諧波是多種不同頻率電流的集合;小波變換檢測(cè)法能夠精確測(cè)算出諧波的各種頻率分量。小波變換自身具有很多優(yōu)勢(shì)，如“調(diào)焦”性，而且小波變換不受信號(hào)波動(dòng)影響，所以這種方式不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期性采樣。具體采用何種檢測(cè)方法還需要關(guān)注檢測(cè)主體的檢測(cè)目的，例如對(duì)于電力部門而言，檢測(cè)的目的是要得出不同頻率的諧波在待檢測(cè)電流中的具體含量，而對(duì)不同頻率的各種諧波出現(xiàn)時(shí)間則沒有相應(yīng)的檢測(cè)要求。同樣，對(duì)于某些檢測(cè)主體而言，他們關(guān)注的是諧波出現(xiàn)的具體時(shí)間，對(duì)不同頻率的諧波所占具體含量并不關(guān)注。

2諧波的危害

在電力系統(tǒng)當(dāng)中產(chǎn)生大量的諧波，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。諧波電流的問題產(chǎn)生，不僅會(huì)造成電路和發(fā)電機(jī)內(nèi)部形成功能損耗，以及設(shè)備內(nèi)部工作溫度不斷升高，而且也會(huì)造成發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)或者是大型變壓器形成較強(qiáng)的震動(dòng)和較大的聲響。在產(chǎn)生一些比較低的諧波當(dāng)中，會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換裝置工作的電流不穩(wěn)定，同時(shí)諧波的電流也會(huì)對(duì)通信和繼電器裝置形成不良的影響。產(chǎn)生干擾的情況下，會(huì)造成電話通信之間的影響問題，同時(shí)還可能形成繼電保護(hù)裝置內(nèi)部錯(cuò)誤和異動(dòng)的情況。如果電力系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波程度相對(duì)較大，會(huì)對(duì)內(nèi)部的消弧線圈的滅弧作用產(chǎn)生不良的影響，造成單相電力工作失效的問題。如果不能及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施，那么會(huì)嚴(yán)重地影響到自動(dòng)電閘的開合時(shí)間。大量諧波的產(chǎn)生會(huì)造成內(nèi)部電容器的損壞，在電力系統(tǒng)工作當(dāng)中諧波對(duì)外部電容器的影響比較明顯，大量諧波的產(chǎn)生會(huì)加大介質(zhì)的整體損耗程度;同時(shí)諧波的產(chǎn)生次數(shù)和產(chǎn)生的量越大，那么所造成的電壓以及電網(wǎng)的損壞程度越明顯。主要表現(xiàn)在電力系統(tǒng)當(dāng)中，電容器的工作溫度不斷提高，同時(shí)電容器的溫度升高會(huì)造成內(nèi)部介質(zhì)的損壞程度加大，如此循環(huán)下去最終造成了電容器被高溫?fù)p壞。

3諧波的抑制方法

3.1主動(dòng)型諧波抑制方案

這種抑制方案的實(shí)施需要從產(chǎn)生諧波的裝置入手，可以采取以下三種方式：第一，三相整流變壓器采用Y、d或D、y結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)能夠有效阻斷高次諧波。第二，增加整流器的脈沖數(shù)。這一操作能夠有效抑制低次諧波。第三，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。此技術(shù)能直接將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，從源頭上抑制諧波的產(chǎn)生。

3.2無源濾波器（PPF）

無源濾波器的工作原理是為諧波提供低阻通路，從而對(duì)其進(jìn)行分流，最終減少進(jìn)入電力系統(tǒng)中的諧波量，達(dá)到抑制諧波的目的。因?yàn)檠b置購置成本小，而且維護(hù)簡單，所以這種裝置在日常工作中被大范圍應(yīng)用。在并聯(lián)電容器當(dāng)中對(duì)電力系統(tǒng)中的功率因素影響比較明顯，同時(shí)該電容器設(shè)備會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)波動(dòng)電壓起到良好的控制作用。但是在諧波大量存在的條件下，在某種參數(shù)電容器的工作中會(huì)對(duì)這種諧波無限放大，為了有效避免電容器對(duì)諧波所產(chǎn)生的放大作用，通常情況下所采用的措施為替換電容器串聯(lián)限流電抗器，將電容器的支路轉(zhuǎn)變?yōu)闉V波器。通過這種方式可以有效限制電容器當(dāng)中電容的投入量。

3.3有源濾波器（APF）

APF的工作原理和無源濾波器原理大不相同，這種裝置主要是通過產(chǎn)生與原有諧波相位相反的電流對(duì)原有諧波進(jìn)行控制。APF產(chǎn)生的、與原有諧波相位相反的電流能夠與原有諧波相抵消，保證電力系統(tǒng)正常工作。APF不僅能抑制各種頻率諧波，而且動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能。有源濾波器可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型以及串并聯(lián)型。串并聯(lián)型有源濾波器綜合了串聯(lián)型有源濾波器和并聯(lián)型有源濾波器的特點(diǎn)，所以一般認(rèn)為串并聯(lián)型有源濾波器是三種類型濾波器中性價(jià)比最高的。有源濾波器內(nèi)部由兩個(gè)主要的放大部分所構(gòu)成，主要在電流計(jì)算器電路和補(bǔ)償電流發(fā)生器電路當(dāng)中加以實(shí)現(xiàn)。電流運(yùn)算器當(dāng)中的核心點(diǎn)是通過無償補(bǔ)償?shù)膶?duì)象和電流無功分布量的方式來進(jìn)行工作，補(bǔ)償電流當(dāng)中所產(chǎn)生的電流量，依照電流運(yùn)算當(dāng)中的電信號(hào)指令，對(duì)產(chǎn)生的補(bǔ)償電流進(jìn)行控制。和有源濾波器相比，無源濾波器不但可以對(duì)電路當(dāng)中的諧波問題進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還可以有效地抑制諧波過量的問題，整體的功能性比較合理，同時(shí)經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低。濾波器在使用過程當(dāng)中不會(huì)受到電路系統(tǒng)中的阻抗因素所影響，可以有效消除系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的諧波共振的影響問題，具有較高的適應(yīng)性、可控性和快速響應(yīng)性。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)有源濾波器和串聯(lián)濾波器進(jìn)行了科學(xué)的控制，在最近幾年當(dāng)中，設(shè)計(jì)出了混合型和并聯(lián)混合型的有源濾波器，可以有效控制電路中產(chǎn)生的諧波問題。

結(jié)束語

電力系統(tǒng)中的諧波治理能有效提高電網(wǎng)供電效率，保護(hù)電網(wǎng)中的用電設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行起到了積極影響。

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（作者單位：國網(wǎng)陽泉供電公司）