供配電系統(tǒng)的諧波簡介

張晉文 韓潔民

摘 要：諧波抑制和無功補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動化技術(shù)等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，使得諧波和無功補償問題引起人們越來越對的關(guān)注。

諧波會使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起供配電系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。對于供配電系統(tǒng)外部，諧波對通訊設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

（一）諧波的基本概念

在交流供電系統(tǒng)中，理想狀態(tài)下，交流電壓是按照正弦波的形式變化的，可用下面公式表示：

其中，U表示電壓有效值，α表示波形初相位，ω表示波形角頻率。

諧波是一個周期電氣量（如工頻交流電）中頻率大于整數(shù)倍基波頻率（工頻50Hz）的正弦波分量。

對稱三相電路：對于各相電壓來說，無論是三相三線電路還是三相四線電路，相電壓中都可以包含零序諧波，而線電壓中都不含有零序諧波。對于各相電流來說，在三相三線電路中，沒有零序電流通道，因而電流中沒有3、6、9次零序電流;而在三相四線電路中，這些零序電流可以從中性線中流過。

不對稱三相電路：其諧波通常也是不對稱的，3k次諧波、3k+1次諧波、3k-1次諧波，其中都可能含有正序分量、負(fù)序分量和零序分量。在不對稱三相電路中，各相電流可能包含3、6、9等次諧波，但不可能包含這些諧波電流的零序分量，也不可能包含其他次諧波電流的零序分量。不對稱三相三線或三相四線電壓中，各線電壓中也可能包含3、6、9等次諧波，但同時不可能包含這些諧波電壓的零序分量，也不可能包含其他次諧波的零序分量。

（二）供配電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生

在供配電系統(tǒng)中，諧波的產(chǎn)生主要有以下幾個方面：（1）電能的生產(chǎn)過程，如發(fā)電機。（2）電能的傳輸過程，如變壓器。（3）電能的轉(zhuǎn)換過程，如交直流轉(zhuǎn)換。（4）電能的使用過程，如非線性負(fù)載。

（三）無功功率對電網(wǎng)的影響

（1）使設(shè)備容量增大。無功功率的增加，會導(dǎo)致電流增加和實在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。這樣大大增加了工程的成本投入。

（2）設(shè)備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加。

（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負(fù)載，還會時電壓產(chǎn)生劇烈波動，影響供電電網(wǎng)質(zhì)量。

在一般情況下，電網(wǎng)中的電阻比電抗小得多，所以，有功功率的波動對電網(wǎng)電壓的影響很小，而無功功率的波動對電網(wǎng)電壓的影響較大;有些沖擊性無功功率會使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，甚至使在同一電網(wǎng)上的其他用戶無法正常工作。

（四）諧波對電路系統(tǒng)的危害

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一且固定的頻率的電壓幅值，諧波電壓和諧波電流的出現(xiàn)，是對公用電網(wǎng)的污染，其危害主要有以下幾方面：

（1）諧振，電網(wǎng)中使用無功補償?shù)碾娙萜鳎麄兣c系統(tǒng)的感性部分組合，在一定的頻率下，可能存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)諧波足夠大時，就會形成影響電網(wǎng)正常運行的諧波波電壓或過電流。

（1）增加了諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。諧波電流會在線路中產(chǎn)生有功損耗：

高頻諧波會使電流在導(dǎo)線中的分布不均勻，降低了電能的傳輸效率;另外會使電流局部增大，導(dǎo)線溫度升高，加快絕緣老化，縮短電纜的使用壽命。

（2）諧波影響各類用電設(shè)備的正常工作。諧波對用電設(shè)備的影響主要是附加損耗和設(shè)備發(fā)熱。諧波電壓可以使變壓器的渦流損耗增加，使變壓器的銅耗增加。

（3）諧波可能會引起公用電網(wǎng)局部產(chǎn)生諧振，使諧波被放大，危害增大。

（4）諧波會導(dǎo)致電氣測量儀表測量誤差。在帶有整流電路的磁電式交流電表中，表針的旋轉(zhuǎn)角度決定于線圈電流整流后的直流平均值，表盤刻度為交流均方根值，這時可按正弦波的波形因數(shù)來確定刻度。當(dāng)被測電路有諧波的時候，均方根值就有誤差，要進行修正。

（5）諧波會對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在多個中性點接地的電網(wǎng)中，如果有較大的零序諧波電流通過中性點流入大地，就會嚴(yán)重干擾附近的通信系統(tǒng)。

（五）諧波的治理

（1）無源濾波器（LC濾波器）

由電容器、電抗器、電阻器適當(dāng)組合而成。濾波裝置通常由若干個無源濾波器并聯(lián)而成，并在某一個諧波頻率附近呈現(xiàn)低阻態(tài)，從而吸收該頻率的諧波，減小了流入配電系統(tǒng)的諧波電流。

一般LC濾波器包括一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器、C型高通濾波器，其中二階高通濾波器最為常用，下圖二階高通濾波示意圖和其阻抗頻率特性曲線：

（2）有源濾波器

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。它可以抑制大小和頻率隨時都在變化的諧波，補償變化的無功功率。原理圖如下：

有緣濾波原理圖

當(dāng)需要補償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源濾波器檢測出負(fù)載電流的諧波分量，將其反極性后作用為補償電流的指令信號（調(diào)制信號），由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流，該電流與負(fù)載電流中的大小相等、方向相反，兩者相互抵消，達(dá)到補償?shù)哪康摹?/p>

指令電流運算電路的作用是根據(jù)有源濾波器的補償目的得出補償電流的指令信號，即期望由有源濾波器產(chǎn)生的補償電流信號。

電流跟蹤控制電路是補償電流發(fā)生電路的第一個環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個器件通斷的電壓信號。

（六）總結(jié)

以上內(nèi)容針對諧波的產(chǎn)生和治理做了簡單的介紹。近年來使用較多的是設(shè)置無功功率補償電容器和LC濾波器，這種無源補償裝置較為經(jīng)濟，其補償性能較差。相比之下，有源濾波是較為先進的諧波處理裝置，它可以實現(xiàn)諧波的動態(tài)抑制。從電能產(chǎn)生初期開始，諧波伴隨著電能的始終，影響著電力系統(tǒng)的這個環(huán)節(jié)。隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為高效節(jié)能配電系統(tǒng)面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。