摘要: 本文從“諧波”這一概念的含義及特點入手，分析了其在旋轉電機、靜止電力設備等方面對電力系統(tǒng)的影響，并從增加整流器的脈波數(shù)、注入諧波電流、并聯(lián)濾波器等方面提出了解決方案。

關鍵詞: 風力發(fā)電;諧波;電力系統(tǒng);影響

一、諧波概述

“諧波”這一名詞起源于聲學，在聲學中諧波表示一根弦或一個空氣柱以基本循環(huán)(或基波)顛率的倍數(shù)頻率振動。對電氣信號也與此相仿，諧波被定義為一個信號量，該信號的頻率是實際系統(tǒng)頻率(即發(fā)電機所產(chǎn)生的頻率)的整數(shù)倍。

用示波器顯示一個復雜的信號，是在時域中觀察倍號的形狀，亦即對任意給定的瞬間顯示出波形的大小。若同一信號加在高靈敏的放大器上，則耳朵聽到的合成聲音是諸頻率的混合信號，因而波形可用其時域或其頻域的數(shù)據(jù)來描述。

我們知道，只有畸變的波形持續(xù)無限的周期數(shù)時，才能完善地應用這種變換。實際情況并非如此，因為負載變動將會改變系統(tǒng)諧波的含量，但是，只要所分析的條件持續(xù)相當?shù)臅r間，這一問題就不準解決。因此，必須在諧波和暫態(tài)波之間加以區(qū)別，諧波是波形保持不變，暫態(tài)波是波形逐個周期有明顯的變化。

諧波對基頻波的相角關系在決定波形時是重要的。雖然在聲學中通常認為聽力效應不受這種相角關系的影響，對于電氣信號則并非如此，由不同來源產(chǎn)生之同一諧波，其位置和相對相位之變化可能顯著地改變其總的效應。

二、風力發(fā)電諧波對電力系統(tǒng)的影響

(一)諧波對旋轉電機的影響

1、諧波損耗

諧波電壓或電流在電機的定子繞組、轉子回路以及定子和轉子的鐵心中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應的關系，定子和轉子導體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大些。

諧波電流在定子和轉子端部繞組中建立的漏磁場產(chǎn)生額外的損耗。在具有斜槽轉子的感應電機的情況下，定于和轉子中磁通是變化的，產(chǎn)生的高頻會引起鐵損，損耗的大小與斜槽的數(shù)量以及鋼片的鐵損待性有關。

諧波產(chǎn)生的附加損耗對交流電機的影響最嚴重，電機承受額外諧波損耗的能力和總附加損耗與整個電機溫升和局部過熱(可能是轉子)有關。鼠籠轉于感應式電機允許較高的轉子損耗和溫度，只要定子溫度不超過允許范圍即可，有絕緣轉子繞組的電機可能受到的限制更多。對發(fā)電機，連續(xù)的負序電流限制到約為額定電流的10%，而對感應電動機，負序電壓限制到約為額定電壓的2%，由這些事實可以得出允許諧波存在的某些范圍。如果諧波量超過這些負序限值，則發(fā)生問題是在預料之中的。

2、諧波轉距

對各次諧波可以推出感應電動機的等值電路，如圖1所示，其中所有參數(shù)皆與繞組電流的實際頻率相對應。

在交流電機定子中的諧波電流會產(chǎn)生感應電動機作用(即正諧波滑差)。電動機作用在諧波磁場速度的同一方向上產(chǎn)生軸轉距，所有的正序諧波會產(chǎn)生有助于軸旋轉的軸轉矩，而負序諧波會產(chǎn)生相反的作用。

對于諧波電流而言，在諧波速度下的每相轉矩為，折算到基波速度則為

符號n決定轉矩的方向。

因為近似于1.0，所以上式可寫為

、為標幺值。

利用關系式和，轉矩可以用電壓來表示，即

因為對諧波頻率的滑差幾乎是1，實際上由每單位諧波電流所產(chǎn)生的轉短是很小的，這小的轉矩以成對的形式出現(xiàn)而導致互相抵消。這些影響示于圖2。所以諧波對平均轉矩的影響在大多數(shù)情況下可以忽略不計，

雖然諧波對平均轉短的影響很小，但它們會產(chǎn)生較大的轉矩脈沖。

圖2轉子的諧波轉矩和電流

(二)諧波對靜止電力設備的影響

1、輸電系統(tǒng)

流入電網(wǎng)的諧波電流產(chǎn)生兩個主要的影響:

其一是因為增加了電流波形的有效值而引

起的附加輸電損耗，即

式中，為n次諧波電流，為系統(tǒng)在該諧波頻率下的電阻。

其二是諧波電流在各種電路阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降。

事實上這意味著，一個弱的系統(tǒng)(大的阻抗值和低的故障水平)會比一個剛性系統(tǒng)(高的故障水平和低的阻抗)有較大的電壓擾動。

在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增加了介質(zhì)的電場強度。這一影響縮短了電纜的使用壽命，還增加了事故次數(shù)和修理費用。

諧波對電暈起始和熄滅的影響是峰—峰電壓的函數(shù)。峰值電壓與諧波和基波的相角關系有關，所以即使有效值電壓在限值以內(nèi)而峰值電壓高出額定值也是可能的。

2、變壓器

諧波電壓的存在增加了變壓器磁滯和渦流損耗以及絕緣的電場強度，諧波電流增加了銅損，這一影響對整流變壓器更為重要，因為濾波器不能作用于整流變壓器，它一般是裝在交流系統(tǒng)側的。除諧波產(chǎn)生額外的容量之外，整流變壓器常常在外殼上產(chǎn)生意外的熱點。

和電力變壓器特別有關的一個重要的影響是三次倍數(shù)的零序電流在接法的繞組內(nèi)的環(huán)流。這一額外的環(huán)流可能使繞組電流超過額定值，除非在設計時有所考慮。

對于帶非對稱負荷的變壓器而言，應有另一重要的考慮。若負荷電流含有直流分量，引起變壓器磁路飽合，會大大增加交流激碰電流的諧波分量。

3、電容器組

電壓畸變在電容器中產(chǎn)生額外的電力損耗，以下式表示

式中，是損耗因數(shù)，，為n次諧波電壓的效值。

再者，包括基波和諧波在內(nèi)的總無功功率

不應超過額定無功功率，即Q=

電容器和系統(tǒng)的其它部分之間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振可以引起過電壓和過電流，從而大大增加電容器的損耗和過熱，而且常常導致電容器的損壞。

(三)諧波對紋波控制系統(tǒng)的干擾

紋波控制常用于街道照明電路的遙控以及白天峰值負荷時間的減負荷(如家用熱水加熱器)的遙控。

供電局常遇到由諧波干擾其紋波控制設備而造成的某些實際困難。

因為紋波繼電器基本上是電壓型(高阻抗)的設備，所以如果諧波電壓足夠大，其干擾可引起信號阻塞或繼電器誤動。多大的電壓諧波會影響繼電器取決于繼電器檢測回路的靈敏度和其選擇性，還有紋波注入頻率和干擾諧波頻率的接近程度。

信號閉鎖是因為干擾電壓很大，使繼電器不能檢測出規(guī)定的信號。電容器由于具有吸收紋波信號的特性會產(chǎn)生同樣的效果。繼電器誤動是出現(xiàn)了引起繼電器改變狀態(tài)的諧波電壓(一船在無信號時)所致。在現(xiàn)代的紋波紀電器中通過采用編碼的開關信號已有效地解決了這問題。

早期的紋波繼電器是采用機械濾波裝置的機電式設備，雖然其靈敏度低，卻有良好的選擇性。但是這些繼電器經(jīng)常受到誤動作之苦，因為它們的信號編碼不足以應付通過濾波器的任意的諧波干擾。

現(xiàn)代的紋被繼電器基本上是其機電式前身的電子等值器。它們一般采用壓電或有源濾波電路和高度的信號編碼以將誤動作降到最小。它們具有國際標準規(guī)定的濾波響應曲線，而且要求使用精確的電子元件(高穩(wěn)定度和可靠性)，以保證在繼電器的使用期間內(nèi)有滿意的性能。

未來的紋波繼電器幾乎肯定會采用效數(shù)字濾波技術，在有諧波電壓存在時，數(shù)字濾波器能理想地檢測出規(guī)定頻率的信號。

(四)諧波對電力系統(tǒng)保護的干擾

諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。當有諧波畸變時，依靠采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。

在大多數(shù)情況下，動作特性的變化不大而且不成為問題，進行的試驗表明，對大多數(shù)類型的繼電器而言，當諧波水平小于20%時，其動作受到的影響不明顯。但是隨著大的電力換流器的增加，這一情況在將來可能會變化。

在正常情況和故障情況下發(fā)生的問題是不同的，將分別考慮。

1、故障狀態(tài)時的諧波問題

繼電器的保護功能一般是按基波電壓和/或電流項來設計的，在故障波形中出現(xiàn)的任何諧波或者濾除或者略去不計。對于機電式繼電器來說，后一種情況是特別真實的，特別是過電流保護繼電器。機電式繼電器的慣性較大，所以它們對較高次的諧波的靈敏度低。

較為重要的是諧波頻率對阻抗測量的影響，距離繼電器的整定以輸電線的基波阻抗作為根據(jù)，在故障情況時諧波電流(特別是3次諧波)的存在會引起相當大的誤差。

在故障電流流經(jīng)高電阻率大地，亦即大地阻抗占主要部分的地方，高次諧波量是常見的，所以誤動作的可能性很大，除非只取基波波形。

在永久故障時，基波分量是故障電流的主要成分(盡管伴隨故隨波形有直流不對稱)，但是因為電流互感器飽和的關系，副方感應的電流波形會發(fā)生畸變，特別是原方有較大的直流偏移時。在這種情況下副方諧波的出現(xiàn)可能是個實際的問題，亦即只要電流互感器發(fā)生飽和，就很難保持基波電流波形。

在穩(wěn)態(tài)條件下，只要互感器副方有較高的電動勢，非線性的電流互感器的勵磁阻抗會引起奇次諧波疇變;當暫態(tài)條件下飽和時，會感生2次和3次諧波為主的任何的諧波。

幸虧這些只是設計時碰到的問題，按系統(tǒng)要求正確地選擇設備可以消除很多隨儀表互感器而出現(xiàn)的問題。

在數(shù)字保護系統(tǒng)中，經(jīng)過濾波的電流和電壓波形對距離保護持別重要。相關人員談論了某些可用的數(shù)字濾波技術，盡管實用起來不那么容易，但是采用數(shù)字濾波技術容易得到真實的基波數(shù)據(jù)。

2、故障狀態(tài)之外的諧波問題

繼電保護對正常系統(tǒng)負荷的靈敏度很低說明，在非故障條件時電力系統(tǒng)的諧波量不成為問題。

最明顯的例外可能是在電力變壓器充電時所遇到的問題。實際上，可積極利用大的勵磁涌流的諧波量以防止變壓器的保護因充電時所遇見的特大的峰值而將高壓斷路器切斷(大部分時間)。

涌流實際的峰值與變壓器的鐵心電感、繞組的電田以及操作發(fā)生在電壓波形上的點有關。操作前鐵心內(nèi)的殘余磁通同樣可增加或減輕渦流的峰值，這與磁通對起始瞬間電壓的極性有關。

因為在充電時副方電流為零，大的涌流必然會引起差動保護動作，除非使其變得不動作，簡單的辦法是采用時延差動接線，但是若在充電時有故障，這會嚴重損壞變壓器。

實際上，是利用涌流時出現(xiàn)的非特征2次諧波分量以限制保護，但當充電時若有內(nèi)部故障，則保護仍然是有效的。

三、解 決方案

(一)增加整流器的脈波數(shù)

整流裝置是供電系統(tǒng)中的主要諧波源，其在交流側所產(chǎn)生的高次諧波為pk±1改諧波，而在直流側產(chǎn)生pk次諧波，在理想的情況下，脈波數(shù)和諧波次數(shù)的關系如表1。

從表1可知，整流裝置從6脈波增加到12脈波時，諧波次數(shù)n=12k士1(k=I、2、3……正整數(shù))，就可以消除5、7、17、l 9…等次諧被，并且諧波電流的有效值與諧波次數(shù)成反比。由上可見，增加整流器的相數(shù)，可以比較有成效地消除低次諧波。增加整流相數(shù)的途徑有兩種，其一是采用特殊接線方式，使整流變壓器形成多相整流，另一種方法是將相數(shù)少的整流變壓器，聯(lián)結成等效的多相形式。

圖3為采用相移變壓器的多相整流原理及矢量圖，采用曲折法接線加移相線圈，可以構成多相整流，得到所需要的電壓大小和相位。但當變壓器容量較大時，制造工藝將十分困難。

兩臺6脈波整流器接于同一母線上時，采用丫/丫和/丫或者Y/丫和Y/的接線方式，便可得到12脈波數(shù)的整流裝置，同樣采用一臺Y/Y/聯(lián)接的三繞組變壓器也可以得到上述效果，兩臺變壓器的聯(lián)接可以采用串聯(lián)供電方式，也可以用并聯(lián)供電方式，如圖4a、b所示。

從上所述，等效多相系統(tǒng)，都是在6相基礎上，利用變壓器繞組丫和的接法的不同組合，或增加移相繞組來構成，因此，只有當各整流器組接線準確、負荷相等，且控制角相等時，才能完全消滅低次諧波，否則，諧波電流得不到完全補償。

(二)注入諧波電流

這個方法的基本原理是向變壓器第三繞組注入補償電流來抵消變壓器鐵心中的諧波磁通，圖5是這種方法的原理圖。圖中是一個濾波器，其作用是濾去送到變壓器二次側電流中的基波成分，得到的諧波電流經(jīng)過放大器放大后送入第三繞組，產(chǎn)生和二次側電流同樣的磁勢，放大器A

的放大倍數(shù)為，、、分別為變壓

器T的一次、二次和第三次繞組的匝數(shù)，Q為補償繞組，k為電流互感器TA的變比，如果補償完善的話，磁通中的諧波成分可以完全抵消，不會有諧波進入電網(wǎng)。

TA—電流互感器U—整流器

A—放大器、—濾波器

T—三繞組變壓器

這種方法的一個優(yōu)點是它能夠?qū)⒎翘卣髦C波如3次、9次諧波考慮在內(nèi)。其缺點是需要有一個大功率的反饋放大器，才能有效地消除較低次諧波。

另一種諧波電流注入法事將外加的3次諧波疊加在方波上，如圖6所示，以此來消除所給定運行點的某些諧波。

(三)并聯(lián)濾波器

上面是從改造非線性負荷本身來消除和抑制其注入供電系統(tǒng)的高次諧被，盡管如此，由于晶閘管裝置各相之間的負載不平衡，或者供電系統(tǒng)的運行方式改變，晶閘管裝置控制角較大等原因，均可能出現(xiàn)幅度較大的低次諧波或者總的諧波含量增加等情況，以致使供電系統(tǒng)母線上的電壓或電流的畸變率超過國家規(guī)定的標準，這就需要安裝濾波器來抑制高次諧波。

濾波器抑制高次諧波的基本原理是利用電路諧振的特點，在圖7R、L、C串聯(lián)的電路中，設諧波源的電壓為，為諧波角頻率，為諧波源電壓有效值，其

復數(shù)阻抗

若滿足時，則電路中的Z將達到最小值，這時電流將有最大值，因此，電感上的電壓為，而電容上電壓為。

從上可見，兩者大小相等，方向相反，因而在諧振時，可以將圖中A、B兩點看成是短路，對于作諧振頻率，它的阻抗則可能比R大得多。其阻抗的頻率特性如圖8所示，在濾波器的頻率時為諧振點，此點阻抗最小，利用這一點，很容易作到濾去其一次高次諧波，此時，濾波器的阻抗與電阻相等，阻抗角為45°，阻抗的幅值為R，這種將諧振電路的諧振點調(diào)到其一個固定頻率所構成的濾波器(例如:5、7、……諧波)稱為單調(diào)諧濾波器。

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作者簡介:

[1]王永明男1976年出生工學碩士空軍原向濤籍貫:黑龍江省阿城市 出生日期:1969年10月 牡丹江電業(yè)局工程師研究方向:電力系統(tǒng)。趙先臣籍貫:山東省梁山市 出生日期:1973年4月牡丹江電業(yè)局助理工程師研究方向:電力系統(tǒng)。