淺析諧波對(duì)電能質(zhì)量的危害及其治理措施

吳培錦

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶高要供電局，廣東 肇慶526100）

0 引言

電能作為重要的能源形式，在生活、生產(chǎn)、科技等各個(gè)方面都得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)的進(jìn)步使得對(duì)電能質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。而電力電子技術(shù)的發(fā)展使得換流裝置以及各種非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)諧波含量迅速增加，直接導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，造成供電企業(yè)以及生產(chǎn)單位安全遭受威脅、經(jīng)濟(jì)效益降低。因此，整治諧波污染、提高電能質(zhì)量成為供電企業(yè)亟需解決的難題。

1 基本概念及諧波的危害

1.1 電能質(zhì)量

電能作為一種便于傳輸、控制的清潔能源，是供電企業(yè)向電力用戶提供的一種商品。它與其他商品同樣被要求具有較高質(zhì)量，其特點(diǎn)是需要供電和用電雙方共同維護(hù)電能的質(zhì)量。一般來說，對(duì)電能質(zhì)量的要求主要有電壓、頻率、電壓對(duì)稱性以及電壓波形畸變4項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 諧波的來源

諧波的基本概念是基波頻率整數(shù)倍的正弦波分量。電網(wǎng)中諧波的來源主要有3個(gè)，一是在發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波，二是在電能輸送過程中產(chǎn)生的諧波，三是用電設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波。電能在輸配送過程中產(chǎn)生的諧波較少，對(duì)電能質(zhì)量影響不大，實(shí)際上用電設(shè)備是最大的諧波源。特別是現(xiàn)在越來越多的電子設(shè)備、交流電焊機(jī)、電弧爐、日光燈等非線性負(fù)載的使用，使得高次諧波被接入電網(wǎng)中，進(jìn)而易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變、電壓波形不對(duì)稱，真正威脅到了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.3 諧波的危害

諧波對(duì)于電力系統(tǒng)中很多設(shè)備都會(huì)造成很大的危害，如電網(wǎng)中的計(jì)量裝置、變壓器、斷路器、補(bǔ)償裝置、繼電保護(hù)裝置以及各種用電設(shè)備等。它主要的危害包括由于發(fā)熱引起的不良影響、瞬間引起的不良影響以及諧波導(dǎo)致諧振引起的不良影響。

諧波會(huì)造成部分設(shè)備長(zhǎng)期過熱，在長(zhǎng)時(shí)間不斷累積作用下，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)、輸電線路、電度表過熱而絕緣老化、壽命縮短、誤差加大，并且使得諧波造成的附加損耗成為電網(wǎng)損耗的主要部分。發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器的振動(dòng)將變得劇烈、噪聲加大，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至遭到損壞。

對(duì)于電網(wǎng)中的電容器，諧波會(huì)增加介質(zhì)損耗，損耗的大小與諧波次數(shù)成正比，高次諧波含量越大，諧波造成的損耗也就越大，電容器會(huì)因此而溫度過高。溫度的升高又會(huì)使電容器的介質(zhì)損耗增加，如此惡性循環(huán)，就容易導(dǎo)致電容器熱擊穿。在電容器內(nèi)部，諧波造成的暫態(tài)過電壓會(huì)加劇介質(zhì)的局部放電，放電持續(xù)增強(qiáng)，也是電容器更容易損壞的原因。

對(duì)于繼電保護(hù)裝置、電容器組以及絕緣電纜來說，諧波過大可能會(huì)在瞬間時(shí)使絕緣介質(zhì)損壞。若諧波為高次諧波，由于電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，容易造成局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使得各元器件不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。諧波電流幅值幾倍于正常電流，會(huì)對(duì)元件的安全造成威脅。同時(shí)，諧波會(huì)對(duì)通訊設(shè)備造成較大的干擾，可能導(dǎo)致傳輸?shù)闹匾畔G失，擴(kuò)大故障范圍。

2 諧波的治理

2.1 諧波治理的預(yù)防性措施

在電力系統(tǒng)中，首先要減少注入電網(wǎng)的諧波，將電能質(zhì)量控制在合格范圍內(nèi)。諧波治理的預(yù)防性措施就是盡量降低諧波源產(chǎn)生的諧波，針對(duì)非線性負(fù)載，使其工作方式有所改變，使諧波的注入減少。

第一，在發(fā)電機(jī)、變壓器以及電容器等供電設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程中，采取一定的措施減少諧波。比如，通過對(duì)變壓器繞組的巧妙連接，可以消除3次及其整數(shù)倍的諧波。

第二，通過增加整流器的脈動(dòng)數(shù)或者采用可控硅來對(duì)諧波源進(jìn)行限制。諧波含量與脈動(dòng)次數(shù)有關(guān)，當(dāng)脈動(dòng)數(shù)增加時(shí)，整流器注入電網(wǎng)特征諧波的起始最低次數(shù)n也就變大，即諧波含量與諧波次數(shù)成反比，次數(shù)較低、幅度較高的諧波消除后，電能質(zhì)量能有效提高。

第三，使用全控型元器件，利用PWM技術(shù)使得整流器在變流過程中諧波減少。

采用這種從源頭進(jìn)行的預(yù)防性措施，能夠有效消除諧波，此種方法主要適用于電力電子裝置，其主要缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性不好。

2.2 諧波治理的補(bǔ)償性措施

由于采用預(yù)防性措施主動(dòng)治理諧波成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中不常使用，在工業(yè)中主要采用補(bǔ)償性的被動(dòng)式治理措施，主要手段是安裝濾波器減少諧波。在諧波源處就近配置濾波裝置能夠有效抑制諧波超標(biāo)。濾波裝置一般可以分為無源濾波裝置、有源濾波裝置以及混合型濾波裝置，在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選擇。

現(xiàn)階段，電網(wǎng)中廣泛采用靜止型無功補(bǔ)償器（SVC，Static Var Compensation）。

無源濾波器由電抗器和電容器組成，通過一定的參數(shù)配置以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接，可以有效濾除部分次數(shù)的諧波。從理論上來看，濾波器調(diào)諧到某頻率時(shí)，該濾波器的阻抗為0，所以將該次諧波全部吸收。無源濾波器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本也較低，對(duì)于部分次數(shù)的諧波吸收效果良好。不過無源濾波器對(duì)于偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波吸收效果不佳，并且在諧波電流過大時(shí)無源濾波器可能過載導(dǎo)致設(shè)備損害。同時(shí)如果電力系統(tǒng)阻抗和頻率變化，可能導(dǎo)致產(chǎn)生諧振。

因此，隨著智能控制技術(shù)的進(jìn)步，濾波器也在進(jìn)一步發(fā)展，如今常采用有源電力濾波器來治理諧波。由于功率元器件的控制精度達(dá)到了一定程度，在無源濾波器不能滿足電能質(zhì)量要求時(shí)，可以采用有源濾波器來抑制諧波。有源濾波器的工作原理是通過電流互感器和電壓互感器對(duì)電能進(jìn)行監(jiān)控，得到非線性負(fù)載的電流、電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理器處理后，生成對(duì)無功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹噶?，通過指令控制PWM變流器的通斷，輸出與系統(tǒng)中諧波波形相同、相位相反的補(bǔ)償電流，使得系統(tǒng)中的諧波分量消除，電能質(zhì)量得到提高。

與無源濾波器被動(dòng)抑制諧波有所區(qū)別，有源濾波器是采用主動(dòng)輸出補(bǔ)償電流來對(duì)諧波進(jìn)行抑制。有源濾波器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，使用靈活，能夠?qū)Ω鞔沃C波包括指定次數(shù)的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。

第二，其補(bǔ)償過程是動(dòng)態(tài)的，因此補(bǔ)償速度快，對(duì)于幅值以及頻率都在變化的諧波也能夠補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果與電網(wǎng)的阻抗、頻率無關(guān)。

第三，這種補(bǔ)償原理不會(huì)過載，在電網(wǎng)諧波較大時(shí)，依然能夠工作在額定容量?jī)?nèi)。

綜上所述，有源濾波器補(bǔ)償性能非常優(yōu)越，同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展，其成本也會(huì)不斷下降，因此有源濾波器將被更加廣泛地應(yīng)用。

3 結(jié)語

較高的電能質(zhì)量對(duì)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重要作用，諧波作為影響電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素具有較大的研究意義。本文分析了諧波的來源以及危害，重點(diǎn)闡述了諧波治理的預(yù)防性措施以及補(bǔ)償性措施。其中，有源濾波器的使用對(duì)提高電力系統(tǒng)安全性具有重要作用，使用有源濾波器是解決系統(tǒng)諧波問題的重要手段。在工作現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)針對(duì)不同用電環(huán)境，在配電室集中安裝濾波器或是在諧波源設(shè)備就地安裝濾波器，同時(shí)選取合適的容量，以期達(dá)到良好的諧波治理效果。

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