變電站諧波形成原因與消除方法

趙紀(jì)威

摘 要：諧波會降低電能質(zhì)量，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，因此諧波的治理一直成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文章對諧波的危害、形成原因及分析方法進(jìn)行了闡述，并對治理和消除諧波的措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：變電站；諧波；原因；消除方法

中圖分類號：TN912.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0069-02

1 諧波成分對電力系統(tǒng)的危害

正常交流電為工頻正弦波形，除此以外的雜波成分皆可歸為諧波。由于電力系統(tǒng)中設(shè)備眾多，當(dāng)存在使波形畸變因素時就可能形成諧波，例如變壓器、電抗器、非線性用電設(shè)備都是諧波源。變電站除了變壓器以外，還有大量的電氣設(shè)備，其中不乏非線性電氣設(shè)備，因此變電站中存在著多種諧波源。諧波成分對電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在：

①增加電能損耗，如增加變壓器銅損與渦流損耗，增加輸電線路附加損耗等；

②加速設(shè)備損壞，如促使變壓器過熱而損壞，電容器鼓肚或支路上熔絲群爆等；

③使繼電保護(hù)誤動或測量失準(zhǔn)，如使互感器、電能表測量誤差增大，繼保及自動裝置出現(xiàn)誤動作；

④對電子設(shè)備和通信產(chǎn)生干擾。由于諧波形成的原因和特性都非常復(fù)雜，因此分析諧波形成原因和治理方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 諧波分析方法與形成原因

2.1 諧波分析方法

分析和研究諧波都是從傅里葉級數(shù)開始的。對于任一滿足狄里赫利條件的周期波形都可展開成一個收斂的傅里葉級數(shù)，如下式所示：

f（t）=A0+[Ahcos（hω0t）+Bhsin（hω0t）] （1）

式（1）還可表示為：

f（t）=A0+Chsin（hω0t+ψh） （2）

式（1）、（2）中，f（t）是周期為T=2π/ω0的函數(shù)，Chsin（hω0t+ψh）表示幅值為Ch、周期為T=2π/（hω0）、相位為ψh的第h次諧波。其他符號意義如下：

A0=f（t）dt=f（t）dx（x=ω0t） （3）

A0=f（t）cos（hω0t）dt=f（t）cos（hx）dx （4）

A0=f（t）sin（hω0t）dt=f（t）sin（hx）dx （5）

其中

Ch=，ψh=arctan（Ah/Bh），C1sin（ω0t+ψ1）

稱為基波分量。通過式（1）、（2）可知，諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍，當(dāng)諧波頻率等于3倍基波頻率時稱為三次諧波，如果諧波頻率等于5倍基波頻率時則稱為五次諧波?；诟道锶~級數(shù)原理的諧波分解圖，如圖1所示。

2.2 諧波形成原因分析

2.2.1 正弦供電電壓加在非線性負(fù)荷上

諧波產(chǎn)生的根本原因是在正弦供電電壓加在非線性負(fù)荷上，它產(chǎn)生的電流不再是完全的正弦波形。同時因系統(tǒng)阻抗的存在，該電流產(chǎn)生的電壓降也是非正弦的，這樣就會引起負(fù)荷端的電壓畸變。

2.2.2 變壓器的影響

在變電站中，變壓器是一個諧波源，由于變壓器的磁性材料大都工作在非線性或接近非線性的區(qū)域，這種情況下即使加入正弦電壓，勵磁電流也是非正弦的，因而電流中不可避免含有諧波成分，并以3次諧波為主。同樣的道理，假如變壓器勵磁電流波形是正弦的，但電壓也是非正弦的。類似的情況還包括電抗器等感性設(shè)備。

2.2.3 其他非線設(shè)備的影響

變電站負(fù)載中若含有電弧爐、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、晶閘管控制設(shè)備等大量的非線性設(shè)備，則會引入諧波成分。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈是嵌入線槽內(nèi)的，由于線槽不可能做成完全正弦分布，所以產(chǎn)生的磁動勢必然畸變。家用電器、水銀燈、熒光燈等也是諧波源，雖然就單體來說諧波量不大，但數(shù)量大，分布廣，也會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的影響。隨著整流器、開關(guān)電源、晶閘管控制系統(tǒng)等電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，它們產(chǎn)生的諧波成分同樣不容小視。

2.2.4 其他原因

另外，如果發(fā)電質(zhì)量不高，即發(fā)電設(shè)備的諧波成分未受到有效抑制，注入電網(wǎng)后也是不可忽視的諧波源。

3 治理和消除諧波的方法

3.1 諧波治理策略

治理諧波主要從三個方向入手，即受端治理、主動治理和被動治理[4]。

受端治理是從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)角度進(jìn)行治理，例如改變供電方式，對諧波源和系統(tǒng)其他設(shè)備采取分別供電的方式，以避免系統(tǒng)其他設(shè)備受到諧波影響；將電容器組一些支路的串聯(lián)電抗器改為濾波器，或減少電容器組的投入容量等。

主動治理是直接針對諧波源進(jìn)行治理，例如改變諧波源工作方式、增加變流裝置、諧波疊加技術(shù)等。

被動治理是通過外加濾波器方式減少或消除電力系統(tǒng)中諧波成分流入負(fù)載端，例如設(shè)置無功濾波器PF、在諧波源附近的公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置有源濾波器（串聯(lián)或并聯(lián)）等。

主動治理和受端治理更傾向于主動預(yù)防，而被動治理則是一種補(bǔ)救性的措施。這三種策略各有優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采用。

3.2 諧波濾波器的選用

3.2.1 諧波濾波器的分類

諧波濾波器是用于消除諧波的裝置，主要包括無源濾波器（LC）和有源濾波器（APF）兩大類。LC濾波器主要以電感、電容串聯(lián)或并聯(lián)方式，調(diào)諧到某個特定的諧波頻率，以此抵消掉該頻率的諧波。

LC濾波器按照電感、電容的配置方法，又分為串聯(lián)調(diào)諧濾波器、雙帶通濾波器、阻尼濾波器、解諧濾波器等類型。APF通過加入電源來補(bǔ)償主電路的諧波，它克服了LC濾波器受電網(wǎng)阻抗制約的特性，適用于動態(tài)濾波，其接入電網(wǎng)的方式有串聯(lián)型、并聯(lián)型及混合型三種方式。串聯(lián)方式可阻止諧波電流傳送，并聯(lián)方式可減少電網(wǎng)中的諧波分量，但一般以并聯(lián)為主。

3.2.2 諧波濾波器的選用

選擇濾波器的一個重要參數(shù)是品質(zhì)因數(shù)（Q），它決定了調(diào)諧的尖銳程度，可按計算

Q=X0/R

式中，

X0為電感或電容的電抗；

R為電阻。

Q=30～60的濾波器主要用于治理低次諧波（如5次），而Q=0.5～5的濾波器專用于消除高次諧波（17次以上）。另一個參數(shù)是失諧因素（δ），可按計算

δ=（ω-ωn）/ωn

也常用：

δ=（Δf/fn）+[（ΔL/Ln）+（ΔC/Cn）]

來表示。

3.3 有源濾波器的應(yīng)用

并聯(lián)型APF主要由主電路、指令電流檢測、電流跟蹤控制三部分組成，首檢測負(fù)載電壓、電流參數(shù)和諧波分量，然后根據(jù)檢測出的諧波分量和補(bǔ)償電流數(shù)據(jù)對畸變的電流波形進(jìn)行補(bǔ)償。諧波檢測采用雙閉環(huán)控制，要求對電網(wǎng)側(cè)的電流與電壓、補(bǔ)償側(cè)的電流、直流側(cè)電壓等參數(shù)進(jìn)行精確采樣。

為了確保APF平穩(wěn)投入，在初始階段就要對直流側(cè)電容進(jìn)行預(yù)充電。采用Matlab進(jìn)行了仿真測試，未補(bǔ)償前諧波含量接近30%，波形畸變得很厲害，無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)APF補(bǔ)償后諧波含量下降到不足3%，而且波形平穩(wěn)圓滑，趨近正弦波，已達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對諧波的要求。APF與LC濾波器相比，后者超調(diào)量很大，而前者幾乎沒有超調(diào)，可見APF在變電站諧波消除方面很有優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，除了發(fā)電端的諧波源、自身諧波源以外，還是眾多小型諧波源匯聚之處，因此為了改善電能質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對變電站諧波污染進(jìn)行有效的治理。目前，諧波治理方法有多種，應(yīng)結(jié)合各變電站的諧波特征，并綜合經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、安全性和兼容性，這樣才能選出最佳方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李秋華.淺析諧波治理技術(shù)及在變電站中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程，2014，（1）.

[2] 林新.變電站諧波治理及無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2013，（3）.

[3] 牛聰.針對某變電站的諧波分析與治理[J].燈與照明，2014，（1）.

[4] 黃萍，晏遠(yuǎn)進(jìn)，李翠珍，等.基于RTDS的某110 kV變電站諧波治理措施的研究與仿真分析[J].通訊世界，2014，（8）.