電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生與抑制

李學(xué)智

摘 要：電力系統(tǒng)中的諧波與功率因數(shù)下降、電磁干擾共同構(gòu)成電力系統(tǒng)的三大公害，它嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，甚至威脅著電網(wǎng)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，給用戶及用電設(shè)備的安全造成危害。本文主要介紹了電力系統(tǒng)中諧波的來源及危害，并簡述了目前解決諧波問題的幾種抑制方法，展望了當(dāng)今輸電技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；危害；抑制方法

1 電力系統(tǒng)中諧波的來源

電力系統(tǒng)當(dāng)中，從發(fā)電到輸電，再到用電，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能成為諧波的來源，只是他們?cè)诒憩F(xiàn)形式上有所差別。

1.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的發(fā)電形式主要還是依靠火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電為主，具體的比重因各國的能源資源的構(gòu)成不同而異。而隨著化石能源的日益短缺，能源耗盡危機(jī)的不斷加重，人們開始追求清潔的、無污染的、可再生的綠色新能源。對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)來說，可再生的綠色發(fā)電形式主要是風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，這些發(fā)電形式大多以非正弦、非工頻的形式供電，而想要接入傳統(tǒng)的公用電網(wǎng)，必須通過電力電子電能轉(zhuǎn)換裝置將非正弦、非工頻的電源轉(zhuǎn)換為正弦、工頻的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率的電源或電網(wǎng)的同步運(yùn)行。。比如在輸送風(fēng)電的過程中，一般采用變頻裝置將風(fēng)電接人電網(wǎng)，在此過程中，變頻裝置將會(huì)向電網(wǎng)注入一定數(shù)量的諧波，使得電網(wǎng)諧波來源更加復(fù)雜。除此之外，在發(fā)電機(jī)方面，由于發(fā)電機(jī)的三相繞組不可能制作的完全對(duì)稱，鐵芯也不可能完全的均勻一致，因此也會(huì)有諧波的產(chǎn)生，當(dāng)然，由此產(chǎn)生的諧波通常影響很小。

1.2 輸配電環(huán)節(jié)

隨著柔性交流輸電技術(shù)和高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，大量的電力電子裝置被引入電力系統(tǒng)中，比如用于提供無功功率補(bǔ)償功能的靜態(tài)無功補(bǔ)償器、用于提高輸電線路輸電容量和改善線路運(yùn)行情況的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置以及用于高壓直流輸電技術(shù)的高壓直流換流器等，這些電力電子裝置雖然靈活的控制了電網(wǎng)的運(yùn)行，保證電能安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的輸送，但由其產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)帶來了不小的副作用。

1.3 用電環(huán)節(jié)

隨著電力電子技術(shù)的長足發(fā)展，一些大功率的開關(guān)器件構(gòu)成的新型電器產(chǎn)品越來越被廣泛應(yīng)用，他們大多采用非正弦的電流方式用電，對(duì)于電力系統(tǒng)來講屬于非線性負(fù)載，其在節(jié)能方面確實(shí)產(chǎn)生了一定的作用，但是，這些以非正弦電流方式用電的新型非線性負(fù)載已經(jīng)成為當(dāng)今電力負(fù)載中最主要的諧波源。他們主要包括，由可控硅、IGBT構(gòu)成的焊接電源、開關(guān)電源、充電裝置等整流設(shè)備、采用相位控制的變頻裝置、非線性伏安特性的氣體放電設(shè)備、以及具有調(diào)壓整流裝置的家用電器等。

2 電力系統(tǒng)中諧波的危害

電力系統(tǒng)中的諧波與功率因數(shù)下降、電磁干擾共同構(gòu)成電力系統(tǒng)的三大公害，它嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，危害著電力系統(tǒng)的發(fā)供電設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于輸電線路來講，產(chǎn)生的諧波電流會(huì)在輸電線路中產(chǎn)生網(wǎng)損，降低電能傳輸?shù)男剩芍C波電流在輸電線路中產(chǎn)生的電壓壓降，降低了電網(wǎng)中的電壓質(zhì)量；對(duì)于輸電線路中的電氣裝置來講，特別是電磁式、感應(yīng)式和晶體管式繼電器，畸變的諧波會(huì)使其產(chǎn)生誤動(dòng)作或者不動(dòng)作，將嚴(yán)重的影響著供配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而具有電磁繞組及鐵芯的變壓器和電動(dòng)機(jī)由于諧波的存在將會(huì)使繞組和鐵芯線圈額外發(fā)熱，增加損耗，降低了其使用的壽命；對(duì)用電設(shè)備來講，諧波會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)、通訊系統(tǒng)等產(chǎn)生干擾，影響其工作精度，會(huì)使電視機(jī)或其他顯示設(shè)備的畫面產(chǎn)生畸變，影響畫面質(zhì)量。除此之外，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，更高精度的儀器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量的要求會(huì)越來越高，這將會(huì)使得諧波的危害越來越明顯，這不僅會(huì)對(duì)我國工業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)嚴(yán)重的阻礙著我國工業(yè)水平的進(jìn)步。

3 電力系統(tǒng)中諧波的抑制方法

現(xiàn)代電氣抑制諧波的方法主要分兩種，一種是為諧波源安裝諧波補(bǔ)償裝置，一種是對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生或者產(chǎn)生不超限額的諧波。

安裝諧波補(bǔ)償裝置屬于補(bǔ)救性措施，即在已經(jīng)產(chǎn)生諧波的設(shè)備或系統(tǒng)中加裝諧波補(bǔ)償裝置，這樣的補(bǔ)償裝置主要包括三種，一種是由LC組成的無源濾波器，一種是有源濾波器，一種是混合型有源濾波器。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用低、容易實(shí)現(xiàn)，是應(yīng)用范圍最廣的手段，它的工作原理是將LC電路調(diào)諧到與諧波相同的電流頻率并產(chǎn)生諧振，然后利用低阻抗的支路將諧波過濾掉。有源濾波器是近幾年才得到快速發(fā)展的一種濾波技術(shù)，它是通過檢測諧波電流，然后再向系統(tǒng)中注入一個(gè)與檢測的諧波電流大小相同、相位相反的諧波電流，兩個(gè)諧波電流相互抵消達(dá)到了系統(tǒng)的正常運(yùn)行?；旌闲陀性礊V波器是綜合了無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的，有源濾波器用來快速地補(bǔ)償諧波，而無源濾波器可以同時(shí)進(jìn)行諧波過濾和無功補(bǔ)償，提高了濾波補(bǔ)償?shù)男省?/p>

對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行改造屬于防御性措施，目的是在電氣工程設(shè)計(jì)方面就充分考慮諧波的問題，盡可能的減少諧波的產(chǎn)生，或者將諧波控制在一定限額內(nèi)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)電力設(shè)備的改造不可能完全的消除諧波，其危害依然會(huì)存在。

4 結(jié)論

就目前的電力系統(tǒng)而言，諧波源存在于發(fā)供用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，諧波源的存在嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的質(zhì)量以及運(yùn)行的穩(wěn)定，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種大功率整流設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波的危害作用將會(huì)愈加凸顯，其表現(xiàn)形式會(huì)更加復(fù)雜，造成的經(jīng)濟(jì)損失會(huì)更加巨大，這是我們的電力系統(tǒng)的必然挑戰(zhàn)，也是我們輸電技術(shù)發(fā)展的重要契機(jī)。