分析電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素及如何對其抑制

王雅欣

（中國計量大學(xué) 浙江杭州 310018）

摘要：科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的時代背景下，大家對于電力系統(tǒng)運行的要求越來越高。電力系統(tǒng)在運行過程中，可能會因為電氣開關(guān)應(yīng)用等原因產(chǎn)生不同類型的諧波，對電力系統(tǒng)運行造成不利影響。電氣系統(tǒng)諧波主要包括暫態(tài)諧波以及穩(wěn)態(tài)諧波。電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生不但會導(dǎo)致相關(guān)附加損耗的增加，影響換流裝置工作穩(wěn)定性，而且還會導(dǎo)致通話清晰度下降，引發(fā)電網(wǎng)設(shè)備受損等。在今后的電力系統(tǒng)維護(hù)工作中，必須要針對諧波進(jìn)行科學(xué)抑制。本文針對電力系統(tǒng)中的諧波產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，研究其帶來的危害，探討諧波抑制的主要途徑，供大家參考和研究。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；產(chǎn)生因素；抑制方法

1. 前言

針對電力系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評價的過程中，除了判斷其電壓以及頻率是否正常外，還可以針對其波形進(jìn)行研究。在我國，電力系統(tǒng)波形采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為SOH z的正弦波形。因為國內(nèi)外針對發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計以及制造的過程中具備一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對于波形提出十分嚴(yán)格的要求，在一定程度上，我們可以認(rèn)為，來源于發(fā)電機(jī)的電壓波形均屬于標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。然而，近年來，我國的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程不斷推進(jìn)，電氣化發(fā)展也取得明顯進(jìn)步，各種各樣的非線性負(fù)荷開始形成。舉個例子，在冶煉以及電氣化鐵路建設(shè)過程中開始出現(xiàn)你變負(fù)荷以及變頻負(fù)荷等不同負(fù)荷，此類負(fù)荷的出現(xiàn)會導(dǎo)致電力系統(tǒng)在電壓以及電流波形方面出現(xiàn)畸變。針對一個非正弦波形，應(yīng)根據(jù)博立葉級數(shù)展開成基本頻率和2倍以及3倍等數(shù)倍于基本頻率的正弦波形的和。此類超過兩倍的正弦波被納入高次諧波范疇[1]。

2.電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素及其危害

2.1電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生因素

針對電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)的諧波，一般可以劃分為兩大類型，第一種屬于暫態(tài)諧波；第二類屬于穩(wěn)態(tài)諧波。針對暫態(tài)諧波，主要是因為電力系統(tǒng)中選擇應(yīng)用的電氣開關(guān)在實際操作中會產(chǎn)生此類諧波，此外，電力系統(tǒng)中的設(shè)備以及相關(guān)電力設(shè)備如果發(fā)生故障，也會導(dǎo)致此類諧波的形成。針對穩(wěn)態(tài)諧波，主要是由電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷誘發(fā)。此類非線性負(fù)荷主要包括三種，第一種是電流源諧波；第二種是電壓源諧波；第三種是其他裝置諧波。第一種諧波是因為大型電解電源等大功率交流裝置的應(yīng)用誘發(fā)。第二種諧波主要是因為電動機(jī)以及電焊機(jī)等設(shè)備的應(yīng)用引發(fā)。第三種諧波主要是因為電視機(jī)以及熒光燈等電力裝置的應(yīng)用引發(fā)，此類裝置在單個功耗方面雖然相對較少，但是因為其應(yīng)用相對較廣泛，數(shù)量也比其他類型裝置要多，所以，其對電力系統(tǒng)注入的諧波分量也并不小。以上幾種諧波中，電流源諧波對電力系統(tǒng)的影響最突出，電壓源諧波產(chǎn)生的影響相對較小。目前，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實際生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用日漸廣泛，其對電網(wǎng)構(gòu)成的諧波污染也越來越嚴(yán)重。

2.2電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的危害

電力系統(tǒng)中，諧波的存在會引發(fā)下列危害：

其一，諧波電流的出現(xiàn)會導(dǎo)致輸電線路以及電動機(jī)等出現(xiàn)附加損耗，造成大電機(jī)以及變壓器產(chǎn)生更多損耗，設(shè)備實際溫度出現(xiàn)上升，引發(fā)較嚴(yán)重的機(jī)械振動，帶來較大噪聲污染。

其二，諧波中包含的低次諧波會導(dǎo)致?lián)Q流裝置在工作過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

其三，諧波電流的產(chǎn)生會給通信設(shè)備及相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備等造成干擾，不利于保證通話的暢通，導(dǎo)致通話清晰度下降，引發(fā)電話鈴誤響的問題，此外還可能造成繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動等現(xiàn)象。

其四，如果諧波相對較嚴(yán)重，會導(dǎo)致電網(wǎng)消弧線圈在具體滅弧作用方面出現(xiàn)延遲，甚至造成滅弧作用受阻，引發(fā)單相重合閘失敗的問題，也可能會導(dǎo)致自動重合閘時間出現(xiàn)延長。

其五，諧波的出現(xiàn)會對電能計量形成不利影響，引發(fā)誤差問題。產(chǎn)生諧波的電網(wǎng)會向電力系統(tǒng)輸送諧波，導(dǎo)致其功率出現(xiàn)少計量的現(xiàn)象，而受干擾的用戶不得不吸收那些諧波功率，造成費用激增。

其六，諧波的產(chǎn)生會諧波過電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備受損。

其七，諧波的出現(xiàn)會導(dǎo)致電容器受損。電力系統(tǒng)中存在的諧波會給并聯(lián)補(bǔ)償電容器帶來嚴(yán)重影響，一方面，會導(dǎo)致介質(zhì)損耗出現(xiàn)上升，諧波次數(shù)越大，造成的損耗越嚴(yán)重，高次含量越大，意味著造成的損耗也隨之增加，如此惡性循環(huán)，會造成電容器出現(xiàn)熱擊穿的問題；另一方面，會導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象，或者加劇這一問題。

3. 諧波抑制方法

現(xiàn)階段，針對諧波進(jìn)行抑制的途徑主要有三種，第一種是從諧波發(fā)生源進(jìn)行抑制；第二種是從配電系統(tǒng)進(jìn)行抑制；第三種是從諧波抑制裝置進(jìn)行抑制。本文重點介紹諧波裝置抑制諧波的詳細(xì)做法。

3.1傳統(tǒng)諧波抑制手段

傳統(tǒng)的諧波抑制操作中，除了另外設(shè)置電力無緣濾波器之外，還可以針對變流器二次側(cè)整流具體相數(shù)進(jìn)行增加，實現(xiàn)對諧波的有效濾除。另外，要避免并聯(lián)電容器組在諧波方面出現(xiàn)增加。并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，可以針對功率因素進(jìn)行提高，同時實現(xiàn)對波動電壓的有效調(diào)節(jié)。然而，如果諧波出現(xiàn)時，相應(yīng)參數(shù)下的電容器組會進(jìn)一步方法諧波。為了防止電容器放大諧波，通常需要針對于電容串聯(lián)的限流電抗器進(jìn)行改變，或者電容器中部分之路轉(zhuǎn)換為濾波器。也可以針對電容器實際投入容量進(jìn)行科學(xué)限制。最后，可以針對電網(wǎng)短路容量進(jìn)行增加，盡可能促進(jìn)電力設(shè)備在短路比方面的提高，減小諧波對相關(guān)設(shè)備的干擾。

3.2新型諧波抑制手段

通常情況下，交流器在高次諧波方面會因為時間的變化而發(fā)生變化，選擇靜止濾波和補(bǔ)償器進(jìn)行應(yīng)用不能實現(xiàn)對諧波的徹底濾除，也不能實現(xiàn)全部補(bǔ)償?shù)哪康?。如果選擇有源濾波器進(jìn)行使用，就能夠獲得良好的諧波濾除效果。有源電力濾波器實際上屬于大功率波形發(fā)生器的范疇，其針對諧波進(jìn)行采樣以及180度移相處理之后，可以被全部復(fù)制出來，并輸送至諧波源入網(wǎng)點[2]。復(fù)制出來的諧波以及原來的諧波在幅值上保持一致，但是其方向完全相反，同時，復(fù)制的諧波會因為原諧波發(fā)生變化而出現(xiàn)改變，所以，原諧波能夠因此被抵消掉。有源濾波器可以劃分為兩大部分，第一部分屬于指令電流計算電路；第二部分屬于補(bǔ)償電流發(fā)生電路。前者主要針對補(bǔ)償對象電流中存在的諧波進(jìn)行檢測，同時檢測具體的無功電流分量等。后者綜合分析指令電流針對電路具體指令信號進(jìn)行運算，形成所需補(bǔ)償電流。通過APF檢測，可明確諧波源負(fù)載電流毛具體諧波分量，給予運算操作后，順利輸出相關(guān)指令信號，通過補(bǔ)償電流進(jìn)行電路電流補(bǔ)償，促使電源側(cè)電源中不存在諧波，而只存在基波。

與無源濾波器相比，有源濾波器不但可以實現(xiàn)對各次諧波的有效補(bǔ)償，而且還能夠針對閃變進(jìn)行有效抑制，同時補(bǔ)償無功，具備極高的應(yīng)用價值，且價格合理，經(jīng)濟(jì)性高。有源濾波器的特性不會因為系統(tǒng)阻抗等發(fā)生變化，能夠避免系統(tǒng)阻抗過程中形成的諧振。有源濾波器具備良好的自適應(yīng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對變化中的諧波的自動化跟蹤及實時補(bǔ)償，顯示出良好的可控性。但是， 有源濾波器在有功損耗方面相對較高，其綜合成本相對較高，還未能普遍推廣應(yīng)用。

4.結(jié)語

有源濾波器的應(yīng)用能夠避免無源濾波器在具體運行中的各種弊端，克服其與電力系統(tǒng)發(fā)生諧波放大等缺陷，發(fā)揮良好的諧波抑制作用。如果促進(jìn)無源濾波器以及有源濾波器兩者的有效結(jié)合，形成混合濾波器，可以達(dá)到取長補(bǔ)短的目的，充分發(fā)揮兩種濾波器的應(yīng)用優(yōu)勢，該方案同時也屬于諧波抑制方案研究中的一大重點內(nèi)容。此外，采用單位功率因數(shù)變流器屬于一種新的良好選擇，其應(yīng)用不會產(chǎn)生諧波，其具體功率因數(shù)等于1，是一種新興變流器，可以促進(jìn)無功補(bǔ)償以及諧波抑制新技術(shù)研究的向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘慶，黃凱，王鋼，張堯.不對稱三相電壓下電壓源型換流器諧波分析與抑制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，04：79-85.

[2]范新春.諧波危害及抑制技術(shù)[J].科協(xié)論壇（下半月），2013，10：146-147.