電力系統(tǒng)中的諧波檢測和抑制技術(shù)探討

陳浩鋼，饒 偲

（國網(wǎng)黃岡供電公司，黃岡 438000）

近年來，配電網(wǎng)系統(tǒng)不斷發(fā)展，家用電器、換流器以及變頻調(diào)速等設(shè)備逐年增加，其在電力系統(tǒng)中的電流與電壓用電特性會發(fā)生一定的變化，進(jìn)而產(chǎn)生諧波，其一方面會對供電質(zhì)量產(chǎn)生污染，另一方面會給社會經(jīng)濟(jì)帶來一定的損失[1]，因此對電力系統(tǒng)諧波檢測及抑制控制尤為重要。

1 諧波的產(chǎn)生及危害

諧波主要指的是電流中所有頻率達(dá)到基波整倍的電量的現(xiàn)象，多伴隨整流設(shè)備負(fù)載，容易引起電網(wǎng)電壓波動及不對稱等。盡管非線性負(fù)載的使用能夠?qū)φ逸斎胄势鸬教嵘饔?，然而也容易引發(fā)一系列不良后果，電流波形會偏離正弦進(jìn)而出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，使電壓波出現(xiàn)畸變，進(jìn)而在負(fù)載電流中形成諧波，誘發(fā)諧波污染問題[2]。諧波的危害性較為嚴(yán)重，凡設(shè)備經(jīng)過之處都會對其周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，甚至干擾附近設(shè)備，影響到電能的正常傳輸，降低電能生產(chǎn)率與利用率，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致絕緣故障及燒毀等，引起不安全事件的發(fā)生。

2 電力系統(tǒng)中的諧波檢測技術(shù)

為確保電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，首先要對負(fù)載電流諧波分量予以實時的檢測，然后再結(jié)合補(bǔ)償器需求，給予任意波形補(bǔ)償電流，常見的諧波電流檢測方法有以下幾種：

2.1 帶阻濾波法

帶阻濾波法主要是采用低組濾波器阻斷基波分量，進(jìn)而得到總諧波電流量的方法，該檢測技術(shù)操作簡單，然而精度存在一定的不足，難以滿足諧波分析的多方面需求，在電力系統(tǒng)濾波檢測中應(yīng)用不多。

2.2 帶通選頻法與FFT 變換檢測法

帶通選頻法主要是在多個窄帶濾波器的作用下，對各次的諧波分量進(jìn)行逐次選取。該方法將模擬濾波器作為基礎(chǔ)，其元件復(fù)雜多樣，精度會受到多種因素的影響。FFT 變換檢測法則主要依據(jù)的是數(shù)字信號處理技術(shù)，其首先對信號進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過A/D 的轉(zhuǎn)換作用，將信號輸入到單片機(jī)，在單片機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的計算與處理[3]。該方法能夠獲得各次諧波信號相位及頻率，應(yīng)用簡單，具有較高的檢測精準(zhǔn)度，在諧波檢測與頻譜分析中得到了廣泛地應(yīng)用。然而該檢測方法也存在一定的缺陷，其實時性較差，當(dāng)對非整數(shù)次諧波進(jìn)行檢測時容易發(fā)生柵欄現(xiàn)象，出現(xiàn)諧波幅值及相角等誤差。

2.3 瞬時無功功率諧波電流檢測法

瞬時無功功率理論最早由二十世紀(jì)八十年代日本學(xué)者提出，簡單表示為p-q 理論，其為電力諧波量的檢測提供了重要的理論支持，該理論使得電力有源濾波論在工業(yè)中得以應(yīng)用，其瞬時有功功率p 及瞬時無功功率q 均含有直流分量與交流分量，表示為

根據(jù)直流分量可以得到被檢測的電流的基波分量情況，基波分量與總電流的差便是諧波電流。該檢測技術(shù)對零序分量情況未給予重視，再加上系統(tǒng)的不對稱，導(dǎo)致瞬時無功平均分量與三相平均無功不一致。因此，該檢測技術(shù)多用于三相電壓正弦及對稱三相電路諧波檢測。

3 電力系統(tǒng)中的諧波抑制技術(shù)

3.1 利用無源濾波器

無源濾波器依據(jù)的是諧振原理，在濾波電路的作用下對需消除的高次諧波予以調(diào)諧處理，該抑制技術(shù)能夠確保諧振阻抗達(dá)到最低，只要將其安置在諧波附近便能夠?qū)χC波電流進(jìn)行吸收，防止諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，對諧波產(chǎn)生抑制作用。常見的無源濾波器有以下幾種：（1）單調(diào)諧濾波器，其主要針對某一次諧波進(jìn)行設(shè)計，相當(dāng)于一個低阻通道，一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)該次濾波便能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生容抗作用，將諧波消除。（2）雙調(diào)諧濾波器。其由兩個單調(diào)諧濾波器并聯(lián)而成，能夠同時對兩種頻率濾波進(jìn)行吸收，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但對基波損耗小。（3）二階減幅濾波器。其主要是與單調(diào)諧波濾波器配合使用，對高于某次的諧波阻抗相對較小，能夠?qū)⒏哂谠摯我陨系闹C波進(jìn)行濾除，其不僅能夠減少對濾波器的損耗，而且阻抗頻率特性好，應(yīng)用廣泛。

3.2 利用有源電力濾波器

有源電力濾波器具有較快的響應(yīng)速度與高度可控性，一方面能夠?qū)Ω鞔螢V波起到補(bǔ)償作用，另一方面能夠?qū)﹄妷洪W變起到抑制作用，對無功電流予以補(bǔ)償，且體積與質(zhì)量較小、便于攜帶。有源電力濾波器自適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠?qū)ρa(bǔ)償變化中的諧波進(jìn)行自動跟蹤及補(bǔ)償，對于頻率及幅值不斷變化中的諧波也能夠進(jìn)行補(bǔ)償，且無需較大的元件，響應(yīng)速度快，不會受到電網(wǎng)阻抗的影響，能夠避免電網(wǎng)阻抗的諧振風(fēng)險，對串并聯(lián)諧振現(xiàn)象起到抑制作用。除此之外，在有源電力濾波器作用下，采用一臺裝置便能夠?qū)崿F(xiàn)對多次諧波電流以及非整數(shù)倍次諧波電流的同時補(bǔ)償，在補(bǔ)償期間還可以選擇集中補(bǔ)償或單獨補(bǔ)償，效率高。但該抑制方式也存在一定的不足，經(jīng)過改進(jìn)及元件的增加，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本有所增加。

3.3 利用主動諧波抑制

諧波產(chǎn)生原理認(rèn)為當(dāng)整流相數(shù)增加時，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近[4]。以晶匣管三相橋式整流電路為例，其中僅有n 次奇次諧波，高次諧波振幅值更低，提示諧波次數(shù)的增加會降低振幅值。另外采用波形疊加法也能夠?qū)χC波進(jìn)行抑制。采用兩臺逆變器，能夠確保其電壓在副邊出現(xiàn)疊加，輸出波形半周內(nèi)都會保持60度間隙，此時第二胎逆變器較第一臺會出現(xiàn)36度波形相移。那么在變壓器副邊上五次諧波能夠?qū)崿F(xiàn)同時抵消，效率較高。

3.4 增加整流變壓器二次側(cè)整流相數(shù)

針對帶有整流元件設(shè)備，可以最大化提高整流相數(shù)或脈動數(shù)，能夠?qū)Φ痛翁卣髦C波起到良好的消除作用，這一措施在應(yīng)用能夠降低諧波源出現(xiàn)的諧波含量，通常在工程設(shè)計中也就需要考慮到這一點。整流器在整個供電系統(tǒng)中屬于是一個重要的諧波源，因此在交流側(cè)出現(xiàn)的高次諧波是tK1次諧波，所以在整流裝置中的6脈動諧波次數(shù)為n=6K1，在對其相數(shù)提高到12脈動情況下，所得到的諧波次數(shù)為n=12K1（其中K 為正整數(shù)），以此即能夠?qū)?、7等次諧波起到消除作用，所以在諧波抑制中加大整流的相數(shù)或脈動數(shù)，能夠?qū)Φ痛沃C波起到良好的消除作用。但是這一方法在應(yīng)用中目前還處于理論階段，實際中因為投資較高，但是所取到的諧波消除效果不夠顯著，因此通常是將這一方法應(yīng)用在大容量的整流裝置負(fù)載。

3.5 整流電路的多重化

整流電路實現(xiàn)多重化，也就是實現(xiàn)多個方波的疊加，可以實現(xiàn)對次數(shù)較低諧波起到消除作用，能夠獲取和正弦波比較接近的階梯波。重數(shù)越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在過程中的電路復(fù)雜度也會提升。所以這一方法只能夠在大容量場合中應(yīng)用。同時，這一方法不但能夠降低交流輸入電流諧波，也有助于降低直流輸出電壓中的諧波幅值，與此同時也有助于提升紋波頻率。這一方法在應(yīng)用中實現(xiàn)和PWM 技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，也就能夠獲取更好的諧波抑制效果，這一方法在橋式整流電路中的應(yīng)用，有助于降低輸入電流的諧波。

4 結(jié)束語

新時期，電力系統(tǒng)得到了前所未有的發(fā)展，接入設(shè)備不斷豐富、類型多樣，其在一定程度上增加了電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此，必須加強(qiáng)對電力系統(tǒng)諧波問題的重視度，給予有效的檢測與抑制處理，降低諧波危害。