電力系統(tǒng)的諧波分析及其抑制措施

金海榮

摘 要： 本文論述了電力諧波的的定義、特征等概念，敘述了諧波的危害性及方法。

關(guān)鍵詞： 諧波；諧波的危害；諧波抑制

1. 引言

在能源、交通、化工等行業(yè)，隨著大量電力電子器件及微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這類非線性用電設(shè)備的使用帶來(lái)大量諧波電流流入電網(wǎng)，造成電壓波形畸變，電能質(zhì)量下降，給用電設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。

2.諧波的產(chǎn)生原因

對(duì)于周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，稱為高次諧波。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的比例不斷提高，導(dǎo)致電流和電壓波形會(huì)產(chǎn)生畸變。諧波的來(lái)源有很多，尤其是在用電設(shè)備的使用環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的最多，此類諧波是由各種非線性特性的電氣設(shè)備負(fù)載產(chǎn)生的。這些設(shè)備如：氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、電弧爐，電力變流設(shè)備（整流器、逆變器、變頻器），相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備等。這些設(shè)備大量的用于化工、冶金、礦山等企業(yè)以及各類家用電器中。由于這些非線性電氣設(shè)備的電流不隨著電壓同步變化，使得流過(guò)電網(wǎng)的電流是非正弦波形的，產(chǎn)生的諧波會(huì)使電網(wǎng)電壓質(zhì)量嚴(yán)重下降，并且電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能，因此此類非線性電氣設(shè)備是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

3. 諧波的危害

大量的諧波進(jìn)入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的電壓畸變，當(dāng)諧波超過(guò)規(guī)定值時(shí)，會(huì)對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)造成損害，使用電設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電網(wǎng)產(chǎn)生故障，危及電力輸送。因此我們必須高度重視諧波造成的損害。

諧波危害主要表現(xiàn)有以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)電力電容器的危害

諧波電壓畸變，會(huì)使電容器的老化加快，電容器的損耗系數(shù)增大。因?yàn)殡娙萜鞯娜菘古c頻率成反比，故在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損壞。

（2） 對(duì)變壓器的危害

在諧波電壓作用下，變壓器繞組銅耗增加，鐵耗相應(yīng)增加。另外3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形接法的變壓器，會(huì)在其繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組過(guò)熱，可能會(huì)使繞組電流超過(guò)額定值；對(duì)星形連接的變壓器，當(dāng)繞組裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

（3） 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害

諧波在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中會(huì)引起附加損耗。由于集膚效應(yīng)和渦流的關(guān)系， 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗會(huì)增加。諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還有可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。在所有用電設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的80%左右。因此，諧波使工業(yè)電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響尤為顯著。

（4）對(duì)輸電線路的危害

諧波電流在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降。由于集膚效應(yīng)，諧波電流引起輸電線路的附加損耗增加，使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。使用電纜輸電，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，會(huì)減少電纜的使用壽命。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，諧波的影響可以使電纜的使用壽命平均下降約60%。

（5）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置危害

諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)，變電站主變的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（6）對(duì)電力計(jì)量的危害。

計(jì)量?jī)x表是在50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)校驗(yàn)的，一旦供電有諧波時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。感應(yīng)式電能表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，表現(xiàn)為負(fù)誤差。

（7）對(duì)其它用電設(shè)備的危害

諧波會(huì)使功率開(kāi)關(guān)器件控制裝置誤動(dòng)作，導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件故障而損壞。損害熒光燈，使鎮(zhèn)流器或補(bǔ)償用電容器因過(guò)熱而損壞，因而電視機(jī)的圖形質(zhì)量變差。也會(huì)干擾計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

4.常見(jiàn)的諧波抑制措施

（1） 無(wú)源功率濾波器

無(wú)源功率濾波器（Passive Power Filters簡(jiǎn)稱PF），其濾波原理是使負(fù)載諧波電流在電網(wǎng)支路和濾波器支路分流，通常是利用LC電路進(jìn)行濾波，用電容器為高次諧波提供低阻抗的分流電路。

無(wú)源功率濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低、電壓可以做的較高，容量可以做的較大等優(yōu)點(diǎn)。其在吸收高次諧波的同時(shí)，可以補(bǔ)償無(wú)功功率，改善功率因數(shù)。 缺點(diǎn)是無(wú)源功率濾波器濾波性能受系統(tǒng)阻抗的影響較大，由大容量的電抗器和電容器組成，整機(jī)體積龐大等。電網(wǎng)頻率偏移，電容器件老化，或溫度特性變化等因素可以導(dǎo)致濾波器諧振頻率與待抑制諧波頻率偏移，影響抑制效果；如果因擴(kuò)容等原因所產(chǎn)生的諧波超過(guò)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)，可能造成濾波器因?yàn)檫^(guò)載而損壞。

（2） 有源功率濾波器

有源電力濾波器（Active Power Filter簡(jiǎn)稱APF），是一種能對(duì)電力系統(tǒng)中幅值和頻率都變化的諧波和無(wú)功分量進(jìn)行實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男滦碗娮与娐费b置，主電路一般由脈沖寬度調(diào)制逆變器構(gòu)成。其基本原理是先從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，再利用補(bǔ)償裝置向電網(wǎng)注入與該諧波源諧波分量（電流或電壓）大小相等而極性相反的補(bǔ)償分量（電流或電壓），使電源的總諧波為零，電網(wǎng)電流只含基波分量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波的目的。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源功率濾波器還具有相應(yīng)速度快，很好的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能等優(yōu)點(diǎn)，還具有可進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，抑制電壓閃變等多種功能。

有源功率濾波器的缺點(diǎn)有：損耗較大，當(dāng)功率增加時(shí)，有源功率濾波器裝置損耗百分比有望下降；受電力電子器件功率容量的限制，其價(jià)格相對(duì)較高。

結(jié)束語(yǔ)

隨著更多的非線性大功率電子裝置的應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題日益突出。諧波作為反映電能質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，將會(huì)日益受到廣泛關(guān)注。我們必須進(jìn)一步提高對(duì)于電力諧波危害性的重視程度，積極采用新產(chǎn)品新技術(shù)，抑制諧波，以確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?！?/p>

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