電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)

【摘 要】隨著電力市場(chǎng)的廣泛開(kāi)放以及電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注電能的質(zhì)量問(wèn)題。由于非線(xiàn)性荷載在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，因而所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)造成越來(lái)越多的污染。本文主要分析了一些諧波產(chǎn)生的危害以及抑制諧波的各種措施，并針對(duì)目前電力系統(tǒng)治理諧波所存在的問(wèn)題提出了自己的合理化建議，供大家參考、學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】諧波；諧波抑制；諧波治理

一、諧波產(chǎn)生的原因

電力系統(tǒng)是一個(gè)密不可分的整體，我們可以分析電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因主要有:

1、電源本身質(zhì)量不高而產(chǎn)生諧波：由于發(fā)電機(jī)三相繞組在制作上很難達(dá)到絕緣對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難達(dá)到絕對(duì)平均抑制，同步發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)是定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣隙中的磁場(chǎng)非正弦分布所產(chǎn)生的。在發(fā)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行中，氣隙磁場(chǎng)不是嚴(yán)格的正弦波，只是含有一定的諧波成分。因此，在發(fā)電機(jī)的輸出電壓中，其本身就存在一定的諧波，而這其中的頻率和諧波電壓都是發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。

2、輸電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波：現(xiàn)在國(guó)家電網(wǎng)公司大力推行特高壓電網(wǎng)，在特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛采用交流-直流-交流輸電方式，兩個(gè)交流系統(tǒng)采用直流系統(tǒng)連接（比如青藏聯(lián)網(wǎng)工程）。當(dāng)兩個(gè)隔離的交流系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)頻率相同（或多或少會(huì)有一個(gè)頻率差），用直流互聯(lián)，這個(gè)很小的頻率差在直流電壓下被晶閘管投切到另一端變流器所調(diào)制，會(huì)和基波頻率產(chǎn)生頻拍，引起閃變電流流通，并可能激發(fā)機(jī)械諧振。

二、諧波的危害

諧波的存在對(duì)電網(wǎng)是一種污染，它使電力設(shè)備所處環(huán)境變化，也對(duì)周?chē)耐ㄐ畔到y(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)?yè)p害，其危害主要有：

1、變壓器各類(lèi)損耗增加。諧波會(huì)造成變壓器的銅耗增大，其中包括對(duì)電阻、導(dǎo)體中的渦流、導(dǎo)體外部因漏通而形成的損耗1131。鐵耗也隨之增加，對(duì)于帶不對(duì)稱(chēng)負(fù)載的變壓器而言，其負(fù)載電流如果含有直流分量，則會(huì)引起變壓器磁路飽和，因此會(huì)使交流勵(lì)磁電流的諧波分量大大增加。

2、引起換流裝置非正常工作。一旦換流裝置的容量比例剛剛等于電網(wǎng)容量比例的1/3-1/2或超過(guò)的時(shí)候，在某些時(shí)刻雖然還沒(méi)達(dá)到以上數(shù)值但電網(wǎng)參數(shù)則會(huì)造成較低次諧波次數(shù)的諧波諧振，常規(guī)控制角在交流電網(wǎng)電壓畸變的情況下會(huì)形成觸發(fā)脈沖間隔不等，系統(tǒng)的電壓畸變會(huì)通過(guò)正反饋而被放大，從而影響整流器工作環(huán)境的穩(wěn)定性，逆變器很可能因此發(fā)生連續(xù)的換相失敗最終無(wú)法工作。

3、造成通信系統(tǒng)的非正常工作。電力線(xiàn)路上流過(guò)的幅值(3、5、7、ll)較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，與相鄰近電力線(xiàn)間的通信線(xiàn)路會(huì)產(chǎn)生干擾電壓，造成通信系統(tǒng)的非正常工作，對(duì)通信線(xiàn)路中通話(huà)的清晰度，當(dāng)處在諧波跟基波的共同影響之下，會(huì)觸發(fā)電話(huà)鈴聲響起，更嚴(yán)重的情況下會(huì)損壞通信設(shè)備并威脅人員的安全。此外，高壓直流換流站換相工程中所產(chǎn)生的電磁噪聲會(huì)影響電力載波通信正常的工作狀況，還會(huì)影響到基于載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置的失效，從而威脅整個(gè)電網(wǎng)的安全。

4、加劇電力系統(tǒng)中主要電氣元件的損害。整換流裝置和電容器組是存在與電力系統(tǒng)中的主要的電氣元件，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波會(huì)造成電容器部分放電，這樣便加速了電容器等介質(zhì)的老化，縮短了電容器等介質(zhì)的使用年限。由于諧波與無(wú)功補(bǔ)償電容器組在某些條件的作用下會(huì)使諧振或者諧波放大，會(huì)造成電容器等介質(zhì)負(fù)載超過(guò)規(guī)定范圍或電壓過(guò)大而損壞；常規(guī)控制角在交流電網(wǎng)電壓畸變的情況下會(huì)形成觸發(fā)脈沖間隔不等，系統(tǒng)的電壓畸變會(huì)通過(guò)正反饋而被放大，從而影響整流器工作環(huán)境的穩(wěn)定性，逆變器很可能因此發(fā)生連續(xù)的換相失敗最終無(wú)法工作，嚴(yán)重的會(huì)損壞換相設(shè)備

三、抑制電力系統(tǒng)諧波的技術(shù)措施

電力系統(tǒng)諧波抑制措施主要有三種：

3.1受端治理措施

1、選擇供電方式，改善供電環(huán)境

為了減少諧波對(duì)系統(tǒng)或其它設(shè)備的影響，在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，可以將諧波源由較大容量的供電點(diǎn)電網(wǎng)供電，或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電。保持負(fù)荷的三相平衡，減少三次諧波。對(duì)諧波源負(fù)荷可以由專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路進(jìn)行供電，減少諧波對(duì)其它負(fù)荷的影響。如可將母線(xiàn)分為三段:把所有大型晶閘管整流裝置、中型晶閘管整流裝置及中頻裝置集中在一段母線(xiàn)上，其它不產(chǎn)生諧波的負(fù)荷和照明由另兩段母線(xiàn)供電。

2、避免電容器對(duì)諧波放大

抑制電容器對(duì)諧波電流放大方法有：①改變電容器的安裝位置，安裝點(diǎn)與電源間的感抗就不同，所引發(fā)諧振的頻率也不同。選擇合式的安裝地點(diǎn)，可有效避免與電源電抗相互作用而發(fā)生并聯(lián)諧振。② 改變與電容器的串聯(lián)電抗器，也就相當(dāng)于改變了系統(tǒng)阻抗，可以避免諧波電流放大。③限定電容器組的投入容量，可以有效減少電容器對(duì)諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。④將電容器組的某些支路改為濾波器。

3、減少發(fā)電機(jī)諧波電動(dòng)勢(shì)畸變率。

在發(fā)電機(jī)制造上，可以采取如下措施來(lái)消除或減少諧波電動(dòng)勢(shì)：①星形連接不會(huì)出現(xiàn)三次或三的倍數(shù)次的各奇次諧波，因此，現(xiàn)代同步電機(jī)多采用星形連接。②凸極同步發(fā)電機(jī)采用適當(dāng)極靴寬度和不均勻氣隙長(zhǎng)度，可使氣隙磁場(chǎng)波形盡可能接近正弦分布，減少諧波電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。③ 采用短距繞組，增加每極每相槽數(shù)，可減少諧波電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。④水輪發(fā)電機(jī)等多極電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組常采用分?jǐn)?shù)槽繞組，實(shí)現(xiàn)了極對(duì)與極對(duì)之問(wèn)的分布，減少了磁勢(shì)中的諧波分量。采取以上措施后，目前發(fā)電機(jī)的諧波電動(dòng)勢(shì)畸變率小于1％，一般可以忽略不計(jì)。

3.2主動(dòng)諧波治理措施

1、增加整流裝置的脈動(dòng)數(shù)。

從變流裝置本身出發(fā)，通過(guò)變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加輔助控制策略來(lái)減少或消除諧波 。主要在設(shè)備定貨階段和簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)對(duì)生產(chǎn)廠(chǎng)家提出要求，整流裝置產(chǎn)生的特征諧波電流次數(shù)與脈動(dòng)次數(shù)P有關(guān)，h=kP士1（k=1，2，3.……)。多脈波變流技術(shù)大功率電力電子裝置常將原來(lái)6脈波的變流器設(shè)計(jì)成12脈波或24脈波變流器以減少交流側(cè)的諧波電流含量。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)增加時(shí)，整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)也增高，而諧波電流近與諧波次數(shù)成反比，因此一系列次數(shù)較低，幅值較大的諧波得到消除，諧波源產(chǎn)生的電流將減少。

2、改變諧波源的配置或工作方式。

具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則適當(dāng)分散或替使用，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。

3、采用多重化技術(shù)。

將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊加，消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。

3.3被動(dòng)諧波治理措施

1、無(wú)源濾波器(PPF) 或稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器[7]

為了實(shí)現(xiàn)濾波的效果，給電力系統(tǒng)提供并聯(lián)低阻通路，同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償以及電壓調(diào)整的需要。針對(duì)電力系統(tǒng)中幾種特定的諧波，在平時(shí)工作中我們最常用的辦法是：將電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求合理組合。最普遍的組織形式：一組或數(shù)組單調(diào)諧波組成，必要的時(shí)候會(huì)增加一組高通濾波器。雖然此種濾波器本身存在一些難以克服的缺點(diǎn)，但該濾波設(shè)備因內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入資金少、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，到目前為止，仍然是電力系統(tǒng)中最普遍的濾波方式。

2、有源濾波器(APF)

APF也是我們?cè)谌粘ｋ娏ぷ髦衅毡椴捎玫囊环N濾波器，APF達(dá)到消除諧波的原理是：檢測(cè)電路從而分析電網(wǎng)中存在的諧波電流，之后通過(guò)控制逆變電路產(chǎn)生相對(duì)的補(bǔ)償電流分量，并注入電網(wǎng)，以此達(dá)到消除諧波的目的。APF消除諧波的由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成：檢測(cè)高次諧波電流、調(diào)節(jié)和控制器、脈寬調(diào)節(jié)的逆變器以及直流電源等。APF因其不受電力系統(tǒng)阻抗的影響，因而可以避免與電力系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振的危險(xiǎn)，并能達(dá)到抑制電壓閃變、補(bǔ)償無(wú)功電流。APF的另一個(gè)特性是白適應(yīng)功能，能夠自動(dòng)的跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。APF與系統(tǒng)的主要連接方式可以分為以下四種：1、串聯(lián)型，2、并聯(lián)型，3混合型，4、串并聯(lián)型。

3、有源電路調(diào)節(jié)器(APLC)

APLC是指向網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)(幾個(gè))優(yōu)選節(jié)點(diǎn)注入補(bǔ)償電流，通過(guò)補(bǔ)償電流在網(wǎng)絡(luò)中一定范圍內(nèi)的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)諧波電壓的綜合抑制。

四、 目前電力系統(tǒng)諧波的治理情況

4.1 電力系統(tǒng)諧波治理面臨的問(wèn)題

隨著供電部門(mén)對(duì)電網(wǎng)清潔要求的不斷提高，逐漸意識(shí)到供電系統(tǒng)中諧波抑制與治理的緊迫性。但是在實(shí)際工作處理中還面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：1）整個(gè)供電系統(tǒng)的諧波抑制與治理是一個(gè)系統(tǒng)工作，僅僅靠一個(gè)部門(mén)、一個(gè)單位來(lái)處理是無(wú)法進(jìn)行的，再加上技術(shù)和產(chǎn)品在工程中的應(yīng)用不是完全成熟，目前諧波治理只限于測(cè)試諧波數(shù)據(jù)，至于對(duì)諧波污染企業(yè)的處罰，好像沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定；2）由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，用電負(fù)荷的性質(zhì)和大小隨時(shí)間的變化沒(méi)有規(guī)律，從而使得背景諧波的測(cè)量不準(zhǔn)確，做出的技術(shù)方案針對(duì)性不強(qiáng)，很難達(dá)到預(yù)期的效果；3）諧波的抑制與治理一次性投資比較大，所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益不夠明顯，短期內(nèi)難以對(duì)供電系統(tǒng)穩(wěn)定和電壓質(zhì)量形成量化計(jì)算，加大了投資決策的難度。

4.2 電力系統(tǒng)諧波抑制和治理建議

既然電力系統(tǒng)諧波的治理不是靠某個(gè)部門(mén)、某個(gè)單位、某個(gè)技術(shù)人員個(gè)人的努力就能完成的，那么就應(yīng)該從全局出發(fā)，編制合理的諧波抑制和治理措施。

新變電站投運(yùn)前，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該充分考慮諧波所帶來(lái)的影響，在新項(xiàng)目的論證設(shè)計(jì)階段，就要對(duì)含有諧波源的設(shè)備嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范和國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，如果檢測(cè)超標(biāo)，必須及時(shí)設(shè)計(jì)抑制諧波的設(shè)備或者采取一些相應(yīng)的抑制措施。在設(shè)計(jì)和設(shè)備訂貨階段，簽定技術(shù)協(xié)議時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的諧波水平，不僅要使新設(shè)備諧波達(dá)標(biāo)，而且還要對(duì)系統(tǒng)諧波有所治理，達(dá)到“防治結(jié)合”的目的。要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和規(guī)劃，考慮充分的裕度，從源頭上抑制諧波的產(chǎn)生。

公司要組織內(nèi)部技術(shù)人員成立專(zhuān)門(mén)的技術(shù)研究組，與相關(guān)的的研究單位、設(shè)備廠(chǎng)商合作，采用相應(yīng)的檢測(cè)手段，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)大用戶(hù)專(zhuān)線(xiàn)或系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓在不同運(yùn)行方式下進(jìn)行測(cè)量，編寫(xiě)“供電系統(tǒng)諧波源和諧波污染調(diào)查分析報(bào)告”，形成專(zhuān)項(xiàng)報(bào)告。

依據(jù)批準(zhǔn)的專(zhuān)項(xiàng)報(bào)告制訂供電系統(tǒng)諧波抑制和治理規(guī)劃。①首先，要在技術(shù)上采用低壓濾波，高壓補(bǔ)償。對(duì)已投運(yùn)的諧波源負(fù)載，在用電設(shè)備低壓側(cè)加裝濾波裝置；對(duì)壓諧波源負(fù)載加裝補(bǔ)償濾波裝置或無(wú)源濾波器(PPF)。對(duì)用戶(hù)的設(shè)備和用電情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查、分析研究用戶(hù)的具體情況，統(tǒng)一檢測(cè)、設(shè)計(jì)、采購(gòu)設(shè)備和施工管理，各單位組織實(shí)施，公司主管部門(mén)做效果評(píng)價(jià)。②先分區(qū)治理諧波，后分區(qū)系統(tǒng)補(bǔ)償。上述措施采取后的供電系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果分區(qū)采用抑制措施，考慮裝設(shè)調(diào)諧濾波器，跟蹤系統(tǒng)諧波變化投切濾波器（PPF、APF）；投入濾波器后對(duì)各供電子系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行驗(yàn)算，功率因數(shù)不滿(mǎn)足要求時(shí)裝設(shè)VC或SVC。③定期檢測(cè)，不斷總結(jié)效果，修改規(guī)劃和改進(jìn)方法。確定檢測(cè)點(diǎn)，定期檢測(cè)，重計(jì)算校核，改進(jìn)方案，修正濾波器參數(shù)和調(diào)整支路。

五、總結(jié)

電力系統(tǒng)諧波污染問(wèn)題已受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究，電網(wǎng)污染和環(huán)境污染一樣，需要投入大量的精力和財(cái)力去解決，需要相關(guān)課題研究人員、供電部門(mén)和各大用戶(hù)通力協(xié)作，從源頭上進(jìn)行治理。減少諧波源頭污染，采取積極措施抑制電網(wǎng)中已有的諧波，通過(guò)先進(jìn)的數(shù)學(xué)算法檢測(cè)和分析諧波從而抑制諧波，并形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)整體是諧波未來(lái)的發(fā)展方向。在不久的將來(lái)，希望隨著有源電力濾波器的廣泛應(yīng)用以及一些先進(jìn)的諧波監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣，真正打造一個(gè)綠色的舟山電網(wǎng)，綠色的浙江電網(wǎng)。