電力電子設(shè)備諧波的危害及解決對(duì)策

辛 甜

（江蘇大全凱帆電器股份有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，近年來(lái)，我國(guó)在電力系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了電力電子設(shè)備與變頻技術(shù)。但是在此過(guò)程中產(chǎn)生了較多諧波，不僅在一定程度上污染了配電系統(tǒng)，而且嚴(yán)重影響了電網(wǎng)質(zhì)量。這些諧波會(huì)加大電氣設(shè)備出現(xiàn)事故的概率，對(duì)配電系統(tǒng)的安全性造成較大的威脅。因此，為了減少諧波對(duì)配電系統(tǒng)及用電設(shè)備有序運(yùn)行造成的影響，必須采取有效的解決措施。

1 電力電子設(shè)備出現(xiàn)諧波的主要原因

對(duì)于諧波的研究工作，最初是在20 世紀(jì)20 年代開(kāi)始的。靜止弧變流器被德國(guó)應(yīng)用后，電流波與電網(wǎng)電壓等出現(xiàn)了畸變，隨后電力設(shè)備中廣泛應(yīng)用了變頻技術(shù)。為了更好的實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)速功能，通常會(huì)在電網(wǎng)的工頻電中使用變頻器，進(jìn)而逐漸將其變?yōu)槎囝l率的交流電。交-直-交變頻器在現(xiàn)階段使用比較多，可以把交流電變?yōu)橹绷麟?，并最終轉(zhuǎn)變成可調(diào)的三相交流電[1]。諧波出現(xiàn)的源頭就是配電系統(tǒng)中的變頻器。通過(guò)尋找觸發(fā)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)，一連串正負(fù)交替脈沖為輸出電壓時(shí)，在寬度變化下而發(fā)生的變化，就是SPWM逆變?cè)怼Ｆ鋵?duì)電壓型支流回路有著至關(guān)重要的影響，但在整流電路中，電容器電壓可以保持恒定，電容器端的電壓與輸入電壓的瞬時(shí)值相比較高，有一定的反壓，需要整流器件承受。因此，電流必須在電容器端及輸入電壓瞬時(shí)值高時(shí)才能輸入，如若不然，在電流持續(xù)情況中，就會(huì)在輸入側(cè)出現(xiàn)諧波。

2 諧波對(duì)電力電子設(shè)備造成的危害

2.1 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備

全電磁型的配電應(yīng)用斷路器受諧波電流的影響，會(huì)造成斷路器出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，提高了鐵的損耗，同時(shí)斷路器也會(huì)出現(xiàn)脫扣困難等情況，受到了電磁鐵、渦流等因素的嚴(yán)重制約。通常，若諧波出現(xiàn)次數(shù)較高，就會(huì)嚴(yán)重影響斷路器設(shè)備。因?yàn)樘嵘髓F的損耗，所以造成了額定電流、脫扣電流的降低，導(dǎo)致熱磁型斷路器出現(xiàn)發(fā)熱，使導(dǎo)體出現(xiàn)了集膚效應(yīng)。電子型斷路器在檢測(cè)峰值時(shí)，諧波的存在會(huì)大大降低電子型斷路器的額定電流，導(dǎo)致額定電流的下降幅度較大[2]。

2.2 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中屬于一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性會(huì)直接受到電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量與效率的影響。諧波的出現(xiàn)會(huì)大幅提升異步電動(dòng)機(jī)耗損的程度，不僅會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，還會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而產(chǎn)生較大的損失、出現(xiàn)電力事故。電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部在出現(xiàn)負(fù)序諧波時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因?yàn)橛写朔N制動(dòng)作用的制約，直接扭矩了同電動(dòng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行方向，從而逐漸降低了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

2.3 弱電系統(tǒng)設(shè)備

現(xiàn)階段，我國(guó)建立的電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相對(duì)較為完善。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在諸多因素影響下仍出現(xiàn)了較多不足?？赏ㄟ^(guò)經(jīng)典感應(yīng)電力電子設(shè)備諧波，將電磁感應(yīng)耦合到電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，但是會(huì)降低電力系統(tǒng)的安全性，影響弱電系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性。雖然諧波的相關(guān)干擾頻率與電感應(yīng)的強(qiáng)度之間缺乏直接聯(lián)系，但諧波在公共接地下，仍會(huì)對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備造成影響，從而降低弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使一些不平衡電流轉(zhuǎn)移到接地極。

3 諧波造成的影響

3.1 諧波對(duì)人體造成的不良影響

細(xì)胞若受到刺激，就會(huì)在細(xì)胞膜靜息電位基礎(chǔ)上，存在快速電波動(dòng)及可逆翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，一直保持興奮的狀態(tài)，若其頻率接近諧波頻率，那么人們就會(huì)受到諧波電磁輻射的危害，影響身體健康，給人體的腦磁場(chǎng)及心磁場(chǎng)造成嚴(yán)重的影響。

3.2 諧波對(duì)供配電線路造成的影響

通常，為了保證供配電線路的穩(wěn)定與安全運(yùn)行，會(huì)應(yīng)用電磁式繼電器與感應(yīng)式繼電器，以對(duì)供配電變壓器與線路進(jìn)行有效保護(hù)。但電磁式繼電器與感應(yīng)式繼電器等保護(hù)裝置會(huì)受到電力電子設(shè)備諧波的干擾，容易出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)供配電線路的穩(wěn)定運(yùn)行與安全性造成了嚴(yán)重的影響[3]。

3.3 諧波對(duì)電力設(shè)備造成的影響

諧波一旦出現(xiàn)在電力電子設(shè)備中，就會(huì)嚴(yán)重影響電力設(shè)備，不僅會(huì)加大電流，還會(huì)增加相應(yīng)的電容器端電壓，造成了電容器功率的巨大損耗。如果在運(yùn)行電力變壓器的過(guò)程中出現(xiàn)諧波，就會(huì)大幅增加電力變壓器的銅和鐵的損耗。電力電子設(shè)備諧波頻率越高，在電纜導(dǎo)線橫截面面積較大情況下，電纜導(dǎo)線的允許電流就越小，電阻也會(huì)越大，從而影響整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 解決諧波對(duì)電力電子設(shè)備造成危害的有效措施

4.1 科學(xué)化管理

可采取法律約束與經(jīng)濟(jì)約束等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子設(shè)備諧波的有效治理。對(duì)過(guò)去電力電子設(shè)備諧波治理工作的局面進(jìn)行有效轉(zhuǎn)變，摒棄“先污染、后治理”的被動(dòng)原則，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)出擊，對(duì)電力電子設(shè)備的諧波出現(xiàn)進(jìn)行有效的預(yù)防。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行選擇，加強(qiáng)對(duì)諧波含量指標(biāo)的評(píng)定與檢測(cè)，禁止投入使用不符合要求的電力電子設(shè)備。

4.2 諧波的被動(dòng)抑制

LC 濾波器就是無(wú)源濾波器，濾波電路的組成包括電容、電阻及電感等，通?？杉皶r(shí)消除多次或一次的濾波。根據(jù)具體的需求，在選擇電力電容器時(shí)，可組合電阻器與電抗器，保障濾波效果的實(shí)現(xiàn)，給諧波提供并聯(lián)低阻通路。無(wú)源濾波器具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括維護(hù)便捷、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，因此其也是最為常見(jiàn)抑制諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)氖侄蝃4]。此外，可在電容與電感之間用簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，以此來(lái)對(duì)主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路。高通、雙調(diào)、單調(diào)濾波是無(wú)源濾波器最重要的組成部分，由于其維護(hù)較為方便，類型較多，所以特別受人們的歡迎。

4.3 主動(dòng)抑制方案

要想合理地設(shè)計(jì)變流裝置結(jié)構(gòu)，就必須從變流裝置進(jìn)行分析，對(duì)其相關(guān)的輔助控制措施進(jìn)行提升，以對(duì)電力電子設(shè)備的諧波進(jìn)行有效降低。但是在諧波主動(dòng)抑制方案中，仍存在成本高、效率低等問(wèn)題，亟需解決。此外，在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)頻率較高的設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致PWM 信號(hào)的高次諧波，并出現(xiàn)干擾及傳導(dǎo)高電平輻射。因此，對(duì)于諧波主動(dòng)抑制方案，要做到及時(shí)清除電力電子設(shè)備中高次諧波信號(hào)，可借助EMI 濾波器設(shè)備來(lái)進(jìn)行[5]。

5 結(jié) 論

在電力電子設(shè)備中，對(duì)于諧波的治理，需要從實(shí)際情況出發(fā)，降低諧波的出現(xiàn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的管理。因此，必須提高管理人員對(duì)諧波的認(rèn)識(shí)，最大程度地避免諧波的危害?，F(xiàn)階段，抑制諧波的最主要設(shè)備就是無(wú)源濾波器，可大范圍應(yīng)用，對(duì)電力電子設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著不可忽視的作用。