電力系統(tǒng)湝波檢測與抑制方法分析

么 軍，張思聰

（國網(wǎng)天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300450）

1 諧波簡述

諧波是指周期性的正弦波分量，是一個數(shù)學(xué)和物理概念。電力系統(tǒng)中，往往由于正弦電壓施加壓力于非線性負(fù)載，導(dǎo)致基波電流發(fā)生畸變形成諧波。在正常運行的電力系統(tǒng)中，流經(jīng)的電流和電壓成正比且都是正弦波，而當(dāng)流經(jīng)的電流與所增加的電壓不呈線性關(guān)系時，就會出現(xiàn)諧波電流。每個諧波的頻率不同，根據(jù)諧波的不同頻率可以劃分為“奇次諧波”、“偶次諧波”、“分量諧波”。

一般情況下，非線性負(fù)荷供電設(shè)備都會產(chǎn)生諧波電流，例如SMPS、UPS、調(diào)速轉(zhuǎn)動裝置以及家用電器等。無論是發(fā)電設(shè)備、輸電設(shè)備還是用電設(shè)備，都可能產(chǎn)生諧波電流，其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流最多。發(fā)電設(shè)備方面，一些發(fā)電機的鐵芯裝置質(zhì)地不均勻，往往會產(chǎn)生少量的諧波電流。在電力傳輸方面，變壓器是最常產(chǎn)生諧波的電力設(shè)備。用電設(shè)備方面，變頻裝置和整流裝置由于控制起來比較復(fù)雜，稍有差錯就會產(chǎn)生諧波電流。家用電器的功率雖然小，但是數(shù)量巨大，電流的不平衡變換將會產(chǎn)生較深層次的奇次諧波電流，也是諧波電流的主要產(chǎn)生源之一。

2 諧波研究現(xiàn)狀與意義

2.1 研究現(xiàn)狀

人們對諧波問題的研究已經(jīng)持續(xù)許久，諧波問題最早發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)20年代。在我國20 世紀(jì)70年代以來，伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展和電子技術(shù)的進步，電力裝置和設(shè)備應(yīng)用的范圍不斷擴大，數(shù)量急劇增加。電力系統(tǒng)的安全性和高效性和人們的生活生產(chǎn)有著密切的聯(lián)系，因而近些年來，諧波研究領(lǐng)域一直比較活躍，并且形成了相對完整的理論體系、檢測和抑制方法。國內(nèi)的一些科研機構(gòu)、高校和生產(chǎn)企業(yè)也相繼進行諧波研究，并積極參與國際上的研究項目會議。有源濾波裝置是目前最前沿的檢測抑制技術(shù)，分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型。

近年來，諧波問題的研究不僅僅處于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，和環(huán)境保護、經(jīng)濟等領(lǐng)域也有這密切的聯(lián)系。研究雖有進展，仍存在許多問題需要解決，相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)有待進一步的制定和完善。

2.2 研究意義

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，電力使用的范圍越來越廣泛，家用、生產(chǎn)、交通以及其他諸多領(lǐng)域，諧波造成的危害也更越來越嚴(yán)重。諧波的危害一方面體現(xiàn)在諧波的存在造成小部分電流流失，運輸速度減慢，降低電能產(chǎn)生、傳輸和使用效率；另一方面，數(shù)量巨大的3 次諧波造成電力設(shè)備過熱、加速絕緣老化，設(shè)備壽命變短的同時有可能燃燒形成火災(zāi)等重大事故，進而威脅人們生命財產(chǎn)安全。諧波還會造成繼電保護和移動裝置發(fā)生失誤，使電量計算出錯。諧波還會對附近的通信設(shè)備造成影響，擾亂通信信號，降低通信質(zhì)量，伴有導(dǎo)致通信信息丟失的可能性，打亂通信系統(tǒng)的正常工作。

我國的“十二五”電力規(guī)劃，對電力系統(tǒng)提出了更加精細(xì)的要求，綠色環(huán)保的發(fā)展觀念逐漸深入人心，對諧波的檢測和控制提出了更高的要求。

3 諧波的檢測和抑制方法

3.1 諧波檢測

鑒于諧波對電流本身和電氣設(shè)備的危害性，為了進一步保證供電的質(zhì)量和使用安全，各個國家和地區(qū)基本上都會發(fā)布限制諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)諧波暫行管理規(guī)定》并結(jié)合我國的實際國情以及其他國內(nèi)外的相關(guān)研究成果，頒布了我國的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

諧波檢測和分析是電力系統(tǒng)控制和分析中的重要部分，及時準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)中繼電保護和故障分析的重要前提。諧波檢測致力于電流網(wǎng)中發(fā)生畸變的電流和電壓，根據(jù)檢測原理的不同可以分為：模擬濾波器檢測法、基于傅立葉變化換的諧波檢測法以及基于小波變換的諧波檢測法。

表1 電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)

模擬濾波器檢測法是通過模擬濾波器得到諧波數(shù)量，主要有兩種形式：①通過模擬濾波器濾除基波電流量，從而得到諧波電流量；②通過通帶濾波器得到基波分量，與檢測到的電流相減后得到諧波數(shù)量。這種檢測方法原理和操作簡單，可行性大，能有效濾除部分固有頻率的諧波。但當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化或電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，模擬濾波器難以達到及時檢測，且誤差較大，檢測質(zhì)量降低。

基于傅立葉變換的諧波檢測法是獲得各次諧波信號的頻率和位置。該方法適用于測量時間是信號周期的整數(shù)倍時，操作簡單并且測量精度高，在諧波檢測方面得到廣泛應(yīng)用。但該種方法對取樣信號有著嚴(yán)格要求：取樣信號必須是周期性的，且是周期的整數(shù)倍，并且要高于信號最高頻率2 倍以上。

基于小波變換的諧波檢測法是用小波變換的奇異性對諧波信號進行定位，并與附近正常信號進行比較，從而判斷諧波信號的干擾類型。小波變化是時域領(lǐng)域檢測的重要工具，克服了傅立葉領(lǐng)域局部化而時域無局部化的特點，更加適合信號突變時的檢測和分析。這種方法克服了傳統(tǒng)檢測方法中周期性暫態(tài)現(xiàn)象，精確性高。傅立葉變換和小波變換是現(xiàn)在最常用的檢測和分析方法。

3.2 諧波抑制

在對諧波信號進行及時準(zhǔn)確的檢測和分析后，進行諧波抑制可減少和消除電網(wǎng)中的諧波電流，把諧波電壓控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高供電質(zhì)量保證供電安全。常用的諧波抑制方法：降低諧波源的諧波含量、在諧波源處吸收諧波電流以及改善供電環(huán)境。

降低諧波源的諧波含量是在諧波源處采取措施避免諧波的產(chǎn)生。整流器是電網(wǎng)中的一個主要諧波源，整流器的脈動數(shù)和諧波量呈負(fù)相關(guān)，因此，適當(dāng)增加整流器的脈動數(shù)，有利于減少諧波量。采用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)），在頻率周期內(nèi)調(diào)制直壓電流脈寬使其不等以抑制諧波。

在諧波源處吸收諧波電流是在諧波已經(jīng)產(chǎn)生后進行抑制的方法。通過無源濾波器和有源濾波器吸收諧波。相比于無源濾波器，有源濾波器的各項性能更高。通過可控功率的半導(dǎo)體向原電流網(wǎng)注入諧波電流幅相等、相位相反的電流，相互抵消使總諧波為零，達到及時補償諧波電流的目的。可采用串聯(lián)抗電器或者限定電容器組的電容容量來減少對諧波的放大。

改善供電環(huán)境是指選用合理的供電電壓，使三相電壓盡可能保持平衡，以減少諧波對電網(wǎng)的影響。

4 結(jié)語

諧波的危害性毋庸置疑，及時準(zhǔn)確的諧波檢測和分析是前提，諧波抑制是目的。從國內(nèi)外對諧波的研究可以看出，有源濾波器和無源濾波器的混合使用是切實有效的抑制方式，性價比較高，可行性較強，經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯。將有源濾波器和無源濾波器的混合使用應(yīng)用到電力系統(tǒng)的諧波抑制，仍有許多技術(shù)性問題需要解決。諧波問題的研究不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，對于環(huán)境保護領(lǐng)域也有重要的意義。隨著人們綠色發(fā)展、環(huán)保意識的增強以及企業(yè)對經(jīng)濟效益的追求，人們必將探索出更有效的諧波檢測和抑制方法。