電力系統(tǒng)諧波分析與治理

摘 要：近十多年來，由于電力電子制造技術(shù)和變流技術(shù)的突破與發(fā)展，同時(shí)電力電子設(shè)備的工作可靠性得到了很大的提高，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，一方面它提高了我們的生產(chǎn)效率，改善了我們的生活，另一方面大量的非線性電力電子設(shè)備的使用將會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，輕則降低設(shè)備的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)將損壞設(shè)備。因此，分析諧波產(chǎn)生的原因，采取消除諧波的措施，減輕諧波的危害具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；治理

引言

自從采用交流電作為電能輸送的一種方式起，電力設(shè)計(jì)中就力求降低電壓、電流波形畸變，使其波形接近正弦波，讓諧波限制在一個(gè)可以接受的水平。但近十多年來隨著非線性電力電子設(shè)備的大量使用，使得諧波污染問題變得日益嚴(yán)重，有時(shí)甚至損壞設(shè)備，這引起了人們對(duì)這一問題的關(guān)注。

1 諧波產(chǎn)生的原因

在電力系統(tǒng)中，非線性設(shè)備的使用是諧波產(chǎn)生的根本原因。當(dāng)正弦交流電源流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，電流的大小與所加的電壓并不呈線性關(guān)系，電流為非正弦波，即回路中產(chǎn)生了諧波。諧波主要由現(xiàn)代電力電子非線性設(shè)備產(chǎn)生，如熒光燈、電子控制裝置和開關(guān)、電源、晶閘管控制設(shè)備等。

2 諧波畸變對(duì)電力系統(tǒng)的影響及治理的意義

諧波的危害主要為：（1）諧波會(huì)影響一些電氣設(shè)備的正常工作。如諧波會(huì)使電力電容器、電力電纜等設(shè)備過熱、加速設(shè)備絕緣老化、縮短使用壽命，有時(shí)甚至?xí)p壞設(shè)備；諧波會(huì)讓電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、產(chǎn)生噪聲外，還會(huì)增加附加損耗，使電機(jī)局部過熱嚴(yán)重。（2）諧波的存在會(huì)降低系統(tǒng)中發(fā)、輸變電設(shè)備的使用效率，同時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗；（3）諧波在某些特定的條件下會(huì)引起并聯(lián)或

串聯(lián)諧振，放大特定頻率的諧波，這就使上述（1）和（2）的危害進(jìn)一步增加，有時(shí)甚至損壞設(shè)備；（4）諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量；嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致信息丟失，使通信中斷；（5）諧波也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置不正確動(dòng)作，會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表和計(jì)量裝置不準(zhǔn)確。

綜上所述，治理諧波使其限制在一個(gè)較低的無危害的水平具有重要意義。

3 諧波治理的方法

治理諧波的方法可分為兩種，一種方法是采用有源或無源濾波器，濾除電網(wǎng)中既存的諧波；另一種方法則是避免諧波的產(chǎn)生，即使用產(chǎn)生較小諧波或不產(chǎn)生諧波的設(shè)備，如采用多脈沖變流器的相位抵消消除諧波。第一種方法為補(bǔ)救性措施，適用于諧波危害已經(jīng)存在的場(chǎng)合，第二種方法則是預(yù)防性的措施，所使用設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生諧波或產(chǎn)生的諧波在可接受的范圍，因?yàn)樗褂玫脑O(shè)備不會(huì)產(chǎn)生諧波或產(chǎn)生的諧波在可接受的程度，當(dāng)然也就不存在諧波問題了。

采用何種方法解決諧波問題，需考慮多種因素，如設(shè)備的電壓等級(jí)、安裝容量、設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)其它設(shè)備的影響、各種方法的改造費(fèi)用等等。文章主要對(duì)工程中常用的無源濾波器和有源濾波器的構(gòu)成、濾波原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

3.1 無源濾波器

無源濾波器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，并且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富而得到了廣泛的使用。常用的無源濾波器由主要由電容器和電抗器串聯(lián)或并聯(lián)而成，并調(diào)諧在某個(gè)需要的頻率上。無源濾波器在其調(diào)諧頻率處阻抗理論上為零，因此可以濾除掉諧波。

實(shí)踐證明，在電力系統(tǒng)中根據(jù)諧波的具體情況安裝消除相應(yīng)頻率的無源諧波濾除裝置能有效地減小此特定頻率的諧波。按接入系統(tǒng)的方式不同分兩類，并聯(lián)接入系統(tǒng)的為并聯(lián)型無源濾波器，串聯(lián)接入系統(tǒng)的為串聯(lián)型無源濾波器。

3.1.1 并聯(lián)型無源濾波器

并聯(lián)型無源濾波器主要是由濾波電容器、電抗器和電阻器采用適當(dāng)?shù)倪B接方式而構(gòu)成的諧波濾除裝置，它與諧波源相并聯(lián)，它不僅能濾除諧波，還能達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)墓δ?。工程中常用的無源濾波器主要有：a.單調(diào)諧濾波器；b.雙調(diào)諧濾波器；c.一階高通濾波器；d.二階高通濾波器；e.三階高通濾波器；f.C型高通濾波器，共六種，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單調(diào)諧濾波器是在工程中最常見的濾波器，由串聯(lián)的L、C、R構(gòu)成的，如圖1-a，當(dāng)濾波器的諧振頻率與要濾除的諧波的頻率一致時(shí)即可濾除相應(yīng)次的諧波。單調(diào)諧濾波器在工程中應(yīng)用最多，最廣泛，當(dāng)要濾除特定次諧波時(shí)電容器和電抗器的選擇如下：

在實(shí)際工程中，無源并聯(lián)濾波器往往兼有無功補(bǔ)償和改善功率因數(shù)的雙重功能，一般是先計(jì)算需要補(bǔ)償無功的容量，再來確定相應(yīng)電抗器的容量，一般采用基波時(shí)電抗器占電容器補(bǔ)償容量的百分?jǐn)?shù)表示。為了能在限制諧波電流的同時(shí)不發(fā)生諧振，在工程中需選擇電抗器和電容器的參數(shù)使之偏離各次諧波的諧振點(diǎn)，如為了濾除5次和3次諧波，在高壓供配電系統(tǒng)中，電抗器容量SL和電容器容量SC比常選擇為5%和12%，而在低壓配電系統(tǒng)中，電抗器容量SL和電容器容量SC比常選擇為7%和14%。

除了常用的單調(diào)諧濾波器外，還有雙調(diào)諧濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖1-b所示，由電路理論知識(shí)我們知道它具有兩個(gè)諧振頻率，能同時(shí)吸收兩個(gè)不同頻率的諧波，其濾波效果相當(dāng)于兩個(gè)單調(diào)諧濾波器。雙調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是基波損耗小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)諧困難，故很少采用。

除單調(diào)諧和雙調(diào)諧濾波器外，還有高通濾波器，它一般用來濾除高次諧波，高通濾波器也稱減幅濾波器，主要有一階、二階、三階和C型四種，其結(jié)構(gòu)分別見圖1-c、圖1-d、圖1-e、圖1-f。一階高通濾波器因?yàn)殡娙荽?，故基波損耗大，實(shí)標(biāo)工程中一般不采用。濾波性能最好的是二階高通濾波器，但缺點(diǎn)是基波損耗較大。三階高通濾波器因?yàn)槭潜榷A高通濾波器多了一個(gè)電容器C2，提高了濾波器對(duì)基波頻率的阻抗，減少了基波的損耗，故三階高通濾波器比二階高通濾波器的基波的損耗小。C型高通濾波器的性能介于二階高通濾波器和三階高通濾波器之間，C2和L調(diào)諧在基波頻率上，減小基波阻抗，減少了基波損耗，但它的缺點(diǎn)是對(duì)元件參數(shù)變比和基波頻率偏移敏感。工程實(shí)際中二階高通濾波器還是最常用的高通濾波器。

3.1.2 串聯(lián)型無源濾波器

串聯(lián)型無源濾波器一般由電容器與電抗器串聯(lián)構(gòu)成，并且串聯(lián)連接在電源與負(fù)荷之間。其工作原理是使濾波器中串聯(lián)的電容和電感諧振點(diǎn)為工頻頻率，當(dāng)將其串聯(lián)在電源與負(fù)荷之間時(shí)，由于對(duì)工頻阻抗很小，但對(duì)諧波的阻抗卻很大，這樣工頻電流可以正常通過，但會(huì)阻礙諧波電流的流動(dòng)，當(dāng)諧波的頻率偏離得越多，對(duì)該次諧波的阻抗也越大，濾除效果也越好。串聯(lián)型無源濾波器最大的特點(diǎn)是只需要用一個(gè)濾波器就能夠消除掉所有的諧波。

由于串聯(lián)型無源濾波器串聯(lián)在電路主回路中，當(dāng)濾波器故障時(shí)會(huì)影響供電的可靠性，必要的時(shí)候可增加旁路回路以提高供電可靠性。

3.2 有源濾波器

近年來發(fā)展起來的有源濾波器是一種由電力電子器件構(gòu)成的諧波濾除裝置、其通過檢測(cè)回路中的諧波電流，控制電力電子器件即時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電流注入到系統(tǒng)中，此電流大小與諧波的電流大小完全相等，但方向相反，于是消除了相應(yīng)的諧波，達(dá)到了濾除諧波的目的，有源濾波器能夠同時(shí)對(duì)不同大小和頻率的諧波進(jìn)行快速的跟蹤濾除。之所以稱為有源，是相對(duì)于無源LC濾波器只能被動(dòng)吸收固定頻率的諧波而言，有源濾波器通過檢測(cè)回路中負(fù)載電流，通過計(jì)算進(jìn)行各次諧波的分離，控制并輸出一個(gè)電流，抵銷負(fù)載中的諧波電流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，有源濾波器在濾除諧波的同時(shí)還可補(bǔ)償無功和三相的不平衡。

有源濾波器諧波治理效果比無源濾波器更好，理論上一臺(tái)裝置就可以濾除所有諧波，并且不會(huì)引起系統(tǒng)諧振等問題，但是現(xiàn)階段造價(jià)相對(duì)較高。

4 結(jié)論與建議

由于諧波對(duì)電力系統(tǒng)中設(shè)備的不利影響，為了保證電力系統(tǒng)中設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須將諧波限制在一個(gè)較低的無危害的水平。減小或消除諧波的主要技術(shù)包括：（1）使用較大脈沖數(shù)的變流器，利

用電力變壓器相位抵消消除諧波；（2）在無功補(bǔ)償電容器組回路中串聯(lián)電抗器來濾除某特定次諧波；（3）采用三角形聯(lián)結(jié)的變壓器來限制諧波的影響范圍；（4）采用無源濾波器和有源濾波器濾除諧波，當(dāng)采用無源濾波器時(shí)，應(yīng)考慮躲開無源濾波器與系統(tǒng)的諧振點(diǎn)。

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