配電網(wǎng)諧波的危害及治理對策探究

范鈺博

（國網(wǎng)冀北電力有限公司懷來縣供電分公司，河北 張家口 075400）

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，諧波是普遍存在的，并且危害也是巨大的，因此必須要加強(qiáng)對諧波問題的重視，并采取有效的治理措施。文章對配電網(wǎng)諧波進(jìn)行了分析，指出了其產(chǎn)生原因，并根據(jù)原因提出了具體的治理措施。配電網(wǎng)是供電網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分，如果發(fā)生諧波污染問題將會給供電網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)重危害。因此必須加強(qiáng)對諧波的治理工作，保證電網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定和可靠?；诖?，開展配電網(wǎng)諧波的危害及治理對策的分析研究就顯得尤為必要。

1 諧波的相關(guān)概述

在配電網(wǎng)中，由于非線性負(fù)載等因素的存在，會產(chǎn)生大量的諧波。諧波會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生多種負(fù)面影響，如：增加線路損耗、降低功率因數(shù)、干擾通信設(shè)備等。為了減少諧波對電力系統(tǒng)的影響，可以采取多種措施進(jìn)行治理。例如：增加變壓器容量、使用無功補(bǔ)償器、安裝濾波器等。這些措施可以有效地減少諧波對電力系統(tǒng)的影響，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，對于配電網(wǎng)中的諧波問題，還可以通過優(yōu)化電力設(shè)備的配置和使用方式來減少諧波的產(chǎn)生。例如，對于非線性負(fù)載的設(shè)備，可以采取措施將其工作狀態(tài)調(diào)整至線性狀態(tài)，從而減少諧波的產(chǎn)生。通過優(yōu)化電力設(shè)備的配置和使用方式、增加變壓器容量、使用無功補(bǔ)償器、安裝濾波器等措施，可以有效地減少諧波對電力系統(tǒng)的影響，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 諧波的產(chǎn)生原因

諧波的產(chǎn)生有三個主要原因：一是電氣設(shè)備方面，例如熒光燈、開關(guān)電源以及電力變壓器等；二是輸電線路方面，例如電力電纜以及架空線路等；三是用電設(shè)備方面，例如電容器、電抗器以及補(bǔ)償電容器等。諧波產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個方面：

1.整流設(shè)備產(chǎn)生諧波。在非線性負(fù)載中，例如變壓器、電動機(jī)以及電抗器等，主要以整流電路為其產(chǎn)生的諧波源。這些非線性設(shè)備在運行過程中，會產(chǎn)生大量的基波電壓，從而產(chǎn)生諧波。

2.電容器與電抗器方面。電容器和電抗器都具有非線性特性，在運行過程中，會在電容器上產(chǎn)生諧波電流和諧波電壓，從而導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓出現(xiàn)。

3.變壓器方面。變壓器是一個旋轉(zhuǎn)電機(jī)，主要以磁路飽和為其工作原理。

4.輸電線路方面。輸電線路是電力系統(tǒng)中最主要的傳輸通道之一，其作用主要是將電源輸送到用電設(shè)備中，然后再將用電設(shè)備使用的電能輸送到電網(wǎng)系統(tǒng)中。如果輸電線路的運行過程中存在諧波電流，那么就會使供電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的諧波電流。電容器是一個旋轉(zhuǎn)電機(jī)，主要是通過磁極旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對電流的控制和調(diào)節(jié)的，如果電容器發(fā)生故障就會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的諧波電流，從而影響到電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。電網(wǎng)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中最為主要的傳輸通道之一。

3 配電網(wǎng)諧波的危害

諧波對配電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 致使電壓波動幅度增大

諧波會使電壓的波動增大，這主要是由于電力系統(tǒng)中存在大量的非線性負(fù)荷所造成的，主要有以下幾種：（1）電機(jī)的運行產(chǎn)生較大的附加轉(zhuǎn)矩，并且電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是隨著頻率改變而改變，如果諧波電流所攜帶的諧波分量達(dá)到一定程度時，將會使電機(jī)產(chǎn)生較大的附加轉(zhuǎn)矩；（2）變壓器磁路中存在諧波成分，由于磁路是非線性元件組成，當(dāng)磁場發(fā)生畸變時將會出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，使鐵芯損耗增大，同時還會出現(xiàn)鐵心過熱問題；（3）電壓中含有大量的高次諧波分量，將會使電力系統(tǒng)中各個元件之間發(fā)生相互干擾和耦合現(xiàn)象。

3.2 加速電氣設(shè)備老化

諧波分量會導(dǎo)致電氣設(shè)備的電流和電壓波形發(fā)生畸變，從而加速設(shè)備的老化和損壞。特別是對于電子設(shè)備，諧波分量可能會干擾設(shè)備的正常工作，甚至使其無法正常工作，諧波對電氣設(shè)備造成的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）諧波的存在會使電動機(jī)產(chǎn)生振動和噪聲。當(dāng)發(fā)生諧波時，電網(wǎng)中將會產(chǎn)生大量的諧波電流，這將使電動機(jī)產(chǎn)生很大的震動和噪聲；（2）電動機(jī)三相繞組中某相或某幾相有可能會出現(xiàn)不平衡情況，這是因為電流出現(xiàn)畸變時，就會產(chǎn)生與之對應(yīng)的三次諧波和五次諧波分量；（3）諧波會引起電力系統(tǒng)中電壓和電流波形發(fā)生畸變。如果電網(wǎng)中存在大量諧波電流時，將會使電壓和電流波形發(fā)生畸變；（4）諧波對變頻器也會產(chǎn)生影響。變頻器中主要有三次、五次及七次諧波電流。當(dāng)頻率為50Hz 時，其所含諧波成分最大；（5）三相不平衡也是造成電網(wǎng)系統(tǒng)波形畸變的重要原因之一。電網(wǎng)中三相電壓不平衡度超過5%時就會引起電壓波動和閃變[1]。

3.3 影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性

諧波分量的存在會引起電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化。這不僅會降低電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還可能引起電力系統(tǒng)的失穩(wěn)和事故。主要體現(xiàn)在以下各方面：（1）在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)電容器組時，電容器組對地有一個電容電流為基波電流的3～5 倍的直流分量。當(dāng)電容器組中有非線性負(fù)荷時，將會導(dǎo)致電容器組所產(chǎn)生的電流不能完全流過電容器組中的電容器，從而會使電容器組中的電流出現(xiàn)非對稱情況；（2）當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，將會引起系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大波動和閃變現(xiàn)象。當(dāng)配電網(wǎng)中存在大量的高次諧波時，將會造成低壓母線電壓脈動。如果低壓母線電壓出現(xiàn)脈動現(xiàn)象將會使配電變壓器產(chǎn)生過電壓問題[2]；（3）諧波分量會使得電力質(zhì)量變差，從而影響用戶的用電體驗，甚至?xí)θ梭w健康產(chǎn)生危害。

4 配電網(wǎng)諧波治理對策

4.1 案例分析

某配電網(wǎng)從2020 年3 月開始，到2023 年4 月頻繁出現(xiàn)異常故障，致使18 臺電壓互感器出現(xiàn)多次燒毀問題，自動化變電所模塊也出現(xiàn)了頻繁燒毀問題，多處電纜被擊穿，低壓系統(tǒng)也出現(xiàn)了明顯的計量異常情況[3]。為找到引起配電網(wǎng)故障的原因，進(jìn)行了大范圍測試分析，分析結(jié)果表明，引起這些異常問題的原因是配電網(wǎng)中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的諧波，需要進(jìn)行科學(xué)有效的治理。

4.2 諧波問題分析

為實現(xiàn)對諧波的有效治理，檢修人員深入諧波發(fā)生的現(xiàn)場進(jìn)行了全方位測試，測試結(jié)果表明，在這個配電網(wǎng)中低壓諧波污染問題普遍存在，甚至是一些站點出現(xiàn)了諧波明顯超標(biāo)的現(xiàn)象，這是引起本配電網(wǎng)配電氣設(shè)備和變電所頻繁發(fā)生故障的主要原因。為了確保對這一問題的有效解決，應(yīng)當(dāng)首先針對諧波源本身或者在諧波周圍采取合理、科學(xué)的治理措施。在選擇治理措施時，我們需要綜合考慮諧波的達(dá)標(biāo)水平、成本和技術(shù)成熟度等因素，進(jìn)行合理選擇。對于低壓單變壓器供電系統(tǒng)，可以采用有源濾波治理對策；對于低壓雙變壓器供電系統(tǒng)，可以采用無源濾波治理對策；對于高壓線路上的諧波，則可以采用電抗濾波質(zhì)量對策。

4.3 有源濾波治理

有源濾波治理諧波的主要原理是利用電力電子器件（如IGBT、MOSFET 等）對諧波分量進(jìn)行濾波處理。以下是幾種常見的有源濾波方法：

1.基于IGBT 的有源濾波器：由IGBT 管、電感、電容和電阻等元器件組成。其中，電感和電容構(gòu)成了一個低通濾波器，用于濾除高次諧波分量；電阻則用于限制電流的大小，以避免過流。

2.基于MOSFET 的有源濾波器：與基于IGBT 的有源濾波器類似，但是使用的是MOSFET 管。MOSFET 管的開關(guān)速度比IGBT管快，因此可以實現(xiàn)更快的濾波響應(yīng)[4]。

3.基于LCL 濾波器的有源濾波器：主要由電感和電容構(gòu)成，其中電感和電容的串聯(lián)形式構(gòu)成了一個LCL濾波器，用于濾除高次諧波分量。

4.基于多電平變換器的有源濾波器：是一種比較高級的濾波方法，它可以將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為多個不同電平的電壓，從而實現(xiàn)對諧波分量的濾波處理。

以上是幾種常見的有源濾波方法，不同的方法適用于不同的諧波分量和濾波要求。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的濾波方法，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化。案例配電網(wǎng)諧波治療中采用了基于IGBT 的有源濾波器，取得良好的治理效果，當(dāng)輸入電流中存在諧波分量時，IGBT 管會周期性地打開和關(guān)閉，使得電感和電容對電流進(jìn)行濾波處理，從而濾除高次諧波分量。具體的治理方法如下：

1.設(shè)計電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：基于IGBT 的有源濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用橋式結(jié)構(gòu)，其中電感和電容分別連接在橋式結(jié)構(gòu)的兩個對角線上，IGBT 管則連接在橋式結(jié)構(gòu)的另外兩個對角線上。

2.選擇元器件參數(shù)：在設(shè)計基于IGBT 的有源濾波器時，需要選擇合適的元器件參數(shù)。其中，電感和電容的值需要根據(jù)濾波器的截止頻率和負(fù)載電流等因素進(jìn)行選擇；電阻的值則需要根據(jù)負(fù)載電流和IGBT 管的開關(guān)速度等因素進(jìn)行選擇。

3.控制IGBT 管的開關(guān)：在實際應(yīng)用中，需要通過控制IGBT 管的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)對諧波分量的濾波處理。一般來說，可以采用PWM 控制或者SPWM 控制來控制IGBT 管的開關(guān)狀態(tài)[5]。

4.4 無源濾波治理

配電網(wǎng)諧波治理中，無源濾波器是一種常用的無源濾波治理技術(shù)，它可以有效地濾除配電網(wǎng)中的諧波電流。以下是無源濾波治理技術(shù)在配電網(wǎng)諧波治理中的應(yīng)用：

1.無源濾波器的原理：無源濾波器是利用電感、電容等無源元件構(gòu)成的濾波器，通過調(diào)節(jié)元件的參數(shù)來濾除諧波電流。它不需要外部電源，不會產(chǎn)生諧波，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生額外的干擾，因此被廣泛應(yīng)用于諧波治理領(lǐng)域。

2.無源濾波器的分類：無源濾波器根據(jù)濾波器結(jié)構(gòu)的不同，可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型無源濾波器可以濾除高次諧波，而并聯(lián)型無源濾波器可以濾除低次諧波。根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu)和濾波效果的不同，可以選擇適合的無源濾波器。

3.無源濾波器的應(yīng)用：在配電網(wǎng)諧波治理中，無源濾波器可以應(yīng)用于不同的場合。例如，可以在配電變壓器的低壓側(cè)或高壓側(cè)安裝無源濾波器，濾除諧波電流，降低諧波污染。同時，還可以在電纜線路、電動機(jī)等負(fù)載端安裝無源濾波器，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.5 高壓電抗濾波治理

高壓電抗濾波治理技術(shù)在配電網(wǎng)諧波治理中發(fā)揮著重要作用。它通過將濾波電抗器串聯(lián)在電力回路中，可以有效降低諧波產(chǎn)生的頻率。安裝濾波裝置后，不僅可以提高電能質(zhì)量，減少電壓波動和電流畸變，從而改善供電環(huán)境，還能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。實際應(yīng)用中，根據(jù)需要和實際條件，可以選擇不同的治理策略。例如，可以在高壓母線上使用SVC、SVG等設(shè)備進(jìn)行治理；在變壓器的下端，低壓母線上使用無援濾波器、有源濾波器等進(jìn)行治理；或者在設(shè)備的電源入口處進(jìn)行就地治理，將非線性負(fù)載轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性負(fù)載。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用高壓電抗濾波的目標(biāo)主要是消除高壓線路中的超額諧波。但從結(jié)構(gòu)組成上來看，高壓電抗濾波器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用會導(dǎo)致無功功率的降低。為了解決這個問題，需要在保持濾波設(shè)備容量符合配電網(wǎng)穩(wěn)定運行基礎(chǔ)的上，先進(jìn)行無功補(bǔ)償，然后再進(jìn)行濾波，7次和11 次諧波會被輕微放大。這和電容器的特性有關(guān)系，因為電容器具有“通高頻、阻低頻”的特性。在設(shè)計時，我們必須全面考慮各種因素，而不僅僅是濾波效果。如果只關(guān)注濾波效果而忽略了其他因素，可能會導(dǎo)致設(shè)計變得相對簡單，并可能對整體性能產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，用電量也越來越大，同時也對電能質(zhì)量要求越來越高。配電網(wǎng)絡(luò)是供配電系統(tǒng)中最重要的組成部分，同時也是電能質(zhì)量問題最嚴(yán)重的區(qū)域。在配電網(wǎng)中存在著大量的非線性設(shè)備，這些設(shè)備會產(chǎn)生大量的諧波。諧波對于電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備和用電設(shè)備都會帶來嚴(yán)重危害，使電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重污染，從而影響到電能質(zhì)量。為解決諧波問題，需結(jié)合實際情況，采用有針對性的治理對策，以降低諧波對配電網(wǎng)造成的影響，提升配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。