淺談諧波的分析及抑制

摘 要：由于非線性元件的存在，電力電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的高次諧波，嚴(yán)重影響著電網(wǎng)質(zhì)量和用電安全。為了提高電網(wǎng)質(zhì)量必須對電網(wǎng)進(jìn)行諧波治理。本文主要分析了電網(wǎng)中諧波產(chǎn)生的原因和當(dāng)今幾種抑制諧波的方法。

關(guān)鍵詞：諧波 補償 濾波

中圖分類號：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0063-01

在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中，往往對電網(wǎng)質(zhì)量要求比較高的企業(yè)往往相對科技含量較高，創(chuàng)造的社會產(chǎn)值比較大，電網(wǎng)中高次諧波的存在，極大地影響了這些電力用戶的正常運作，嚴(yán)重阻礙了企業(yè)的發(fā)展和社會財富的積累。因此，電力系統(tǒng)的諧波治理是十分必要的。諧波治理在當(dāng)今社會生產(chǎn)中也越來越受重視，越來越多的企業(yè)在諧波治理方面投入更多的資金和精力。

1 電力系統(tǒng)高次諧波產(chǎn)生的原因和危害

1.1 諧波產(chǎn)生的原因

諧波的產(chǎn)生是因為電網(wǎng)中大量非線性元件的存在，例如各種電動機(jī)，整流裝置，逆變器和各種感應(yīng)爐等，這些非線性元器件在工作時會引起電源電壓和電流畸變，產(chǎn)生大量的高次諧波分量的電壓和電流。其中，50 Hz為基波分量，100 Hz為二次諧波分量，150 Hz為三次諧波分量，以此類推。同時，不同的非線性原件在電網(wǎng)中產(chǎn)生的主要諧波的分量不同，并且不同的高次諧波分量在電網(wǎng)中所表現(xiàn)出來的特性也各不相同。此外，諧波電壓和電流中所占比例較大的往往是次數(shù)較低的諧波分量。

1.2 高次諧波的危害

高次諧波對電網(wǎng)危害巨大。主要表現(xiàn)為，一方面影響產(chǎn)生諧波設(shè)備自身的正常運作。例如電動機(jī)、變壓器和發(fā)電機(jī)在運行中產(chǎn)生高次諧波諧波，過高的諧波電壓有可能擊穿繞組絕緣層；同時鐵損和銅損也會因為高次諧波電流的存在而增加，從而導(dǎo)致設(shè)備正常運行時溫度升高，降低設(shè)備的輸出功率，甚至導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命大大縮短。另外，高次諧波會導(dǎo)致電機(jī)噪聲增大，影響工作人員的正常生產(chǎn)，從而對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。另一方面，高次諧波的存在會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動異常，直接威脅用電設(shè)備的正常工作，甚至直接造成設(shè)備的損壞。例如，高次諧波會導(dǎo)致電網(wǎng)中并聯(lián)電容器的擊穿，燒毀串聯(lián)在電路中的電抗器，還會導(dǎo)致整流逆變裝置的換向失敗，直接造成裝置損毀，另外自動化系統(tǒng)電源中的諧波分量可能會對整個控制系統(tǒng)造成干擾，直接影響整個系統(tǒng)的可靠運行。可見，諧波對整個電力系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)的危害非常嚴(yán)重，必須采取有力的措施加以控制和消除，以保證用戶的用電安全。

2 高次諧波的抑制方法

解決電網(wǎng)中的諧波污染應(yīng)當(dāng)從兩個方向下手。首先，從諧波產(chǎn)生的源頭入手，盡可能的減少設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量；其次，對已經(jīng)產(chǎn)生的諧波分量，要采用濾波補償吸收裝置，減少消除諧波影響，避免高次諧波在電網(wǎng)中的擴(kuò)散。

作為電力系統(tǒng)中主要發(fā)電設(shè)備的同步發(fā)電機(jī)，由于鐵心飽和，在正常工作中會產(chǎn)生大量的高次諧波，為了減小高次諧波分量，往往利用計算機(jī)幫助設(shè)計發(fā)電機(jī)，以達(dá)到改善電機(jī)轉(zhuǎn)子的主磁極磁場分布的目的。另外改善電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒槽的形狀，同時電機(jī)定子繞組采取短距線圈，分?jǐn)?shù)槽，分布式的措施減少高次諧波。另外，為防止三次及其整數(shù)倍諧波進(jìn)入電網(wǎng)并且避免三次諧波環(huán)流在繞組中出現(xiàn)而使損耗增加，同步發(fā)電機(jī)的定子線圈繞組可以采用Y接不接地的方法。

變壓器中高次諧波的產(chǎn)生主要是由于鐵心的飽和造成的，主要分量為三次諧波。Yy型接法的變壓器，可能會應(yīng)為諧波過大而使絕緣層擊穿，因此在使用時通常在變壓器鐵心上增加角接的附加線圈繞組。目前為了限制諧波，電力系統(tǒng)中使用了大量的Dyn11型變壓器，因為，高壓側(cè)如果是Y形結(jié)構(gòu)，三次諧波必然會在設(shè)備和中性線里通過，從而影響設(shè)備的正常工作；高壓側(cè)使用角接后，三次諧波會從角形繞組中流通，諧波不通過設(shè)備。

在生產(chǎn)中，大型的可控硅整流裝置和逆變裝置，大型的中頻高頻煉鋼設(shè)備在運行過程中都會產(chǎn)生大量的高次諧波。為了減少諧波的產(chǎn)生，往往采用增加整流相數(shù)的方式。比如將整流相數(shù)從六相整流變?yōu)闉槭椈蛘叨南嗾?，會使設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波分量大大減少。另外，為了減小大的諧波產(chǎn)生設(shè)備對系統(tǒng)中其他設(shè)備的影響，也可以對其采用專門單獨供電的方法。

電網(wǎng)諧波的抑制方式主要采用三類，無源濾波，有源濾波和混合濾波。由于濾波設(shè)備直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，設(shè)計方案時要考慮諧波源和濾波裝置之間的相互影響，科學(xué)合理的濾波方案可以使諧波分量大大減少，但是如果設(shè)計不合理有可能使諧波的抑制效果大打折扣，甚至形成諧波共振，使諧波量沒有減小的同時反而大大增加了。

2.1 無源濾波

傳統(tǒng)的無功補償和諧波抑制主要應(yīng)用LC濾波器，即在整流橋的輸入端并聯(lián)一個串接的LC濾波裝置，濾波裝置的諧振頻率和電路的主要諧波分量頻率相同。同時為了防止由于高次諧波電壓的存在，而使過大的諧波電流在濾波裝置中產(chǎn)生，往往在輸入端串接電抗器。無源濾波裝置目前應(yīng)用比較廣泛，由于起步比較早，技術(shù)應(yīng)用相對成熟，使用成本也比較低。但是同時也存在缺陷。

（1）當(dāng)設(shè)計方案確定以后，元件參數(shù)即被固定，導(dǎo)致其只能對某個頻率的波段的高次諧波有抑制作用，當(dāng)電感電容參數(shù)產(chǎn)生漂移后，濾波特性也隨之改變，導(dǎo)致濾波性能變得不穩(wěn)定。（2）電網(wǎng)參數(shù)對濾波特性影響巨大，由于電網(wǎng)的運行狀況是不斷改變的，其阻抗和高次諧波分量也是不斷變化的，因此，此類濾波裝置設(shè)計難度比較大而電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運行工況隨時改變，因而LC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計較困難。（3）電網(wǎng)中其他諧波分量可能與濾波裝置產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生很大的諧波分量，導(dǎo)致電網(wǎng)質(zhì)量下降。（4）電網(wǎng)中的個別諧波分量可能在濾波設(shè)備中引起比較大的諧波電流。

2.2 有源濾波

有源濾波往往在電網(wǎng)中接入有源濾波裝置，裝置依靠微計算機(jī)控制系統(tǒng)控制可控硅觸發(fā)角，從而控制裝置中電感電容的投切，使其產(chǎn)生與諧波分量相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波分量。有源濾波裝置由于其跟隨性好，適應(yīng)能力強(qiáng)，濾波效果好，應(yīng)用越來越廣泛，逐漸成為諧波治理的主流。但是其要求的技術(shù)水平較高，設(shè)計難度大，投資也相對較大。

2.3 混合濾波

這種方式采用無源濾波和有源濾波相結(jié)合的方式，主要諧波分量由無源濾波裝置抑制，其他諧波分量由有源濾波裝置抑制，這種方案兼有無源濾波和有源濾波各自的優(yōu)點，而且成本相對也較低，其應(yīng)用也非常廣泛。

3 結(jié)語

高次諧波對電網(wǎng)的影響巨大，諧波治理意義重大，消除諧波可以大大減少高次諧波對設(shè)備的損害，減少電網(wǎng)中高次諧波導(dǎo)致的能源和原材料的消耗，從而顯著提高社會的經(jīng)濟(jì)效益。因此要不斷地發(fā)展諧波治理方案，研發(fā)新技術(shù)，提高用戶的用電質(zhì)量。

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